世界上第一台百億億次超級計算機展示了磨損的渦輪葉片如何耗盡噴氣發動機的功率
科學家們利用世界上最強大的超級計算機之一來找出渦輪葉片的微觀損傷如何影響噴氣發動機的性能、燃油效率和耐用性。該項目匯集了來自墨爾本大學、GE 航空航天公司和橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 的研究人員，他們在 Frontier 超級計算機上進行了模擬。該系統是第一台用於開放科學的百億億次超級計算機，每秒能夠進行超過五萬億次的計算。 Frontier 被稱為 Hewlett Packard Enterprise Frontier (OLCF-5)，是世界上最強大的開放科學超級計算機，它分析了高壓渦輪 (HPT) 葉片的表面退化如何影響噴氣發動機內部的氣動熱效率和傳熱。墨爾本大學機械工程系計算力學系主任理查德·桑德伯格（Richard Sandberg）表示：“降解發生在微觀尺度，由於時間和長度尺度的差異，模擬非常困難——你有一個大刀片，但表面卻發生了所有這些微小的變化。”微小的微觀缺陷 噴氣發動機中的高壓渦輪在極端條件下運行，氣體溫度超過 3,600 華氏度（2,000 攝氏度）。隨著時間的推移，渦輪葉片會因腐蝕、氧化和機械磨損而遭受表面粗糙度的影響。 GE航空航天公司渦輪空氣動力學團隊高級工程師格雷格·斯魯特（Greg Sluyter）指出：“這種粗糙度會顯著增加空氣動力損失，從而導致燃油效率和熱通量下降，從而導致耐用性降低和發動機維護更加頻繁。”雖然這種退化是不可避免的，但預測其對發動機效率的影響長期以來一直是工程師面臨的挑戰。為了解決這個問題，該團隊使用 Frontier 的百億億次計算能力來執行包含 10 到 200 億個網格點、1017 個自由度的模擬。高壓渦輪發動機渦輪葉片吸力表面上的瞬時壁熱通量。圖片來源：澳大利亞墨爾本大學 Thomas Jelly 他們發現，之前關於粗糙度如何影響簡單幾何形狀中粘性流的概念並不適用於渦輪發動機的幾何形狀。 “我們對粗糙度效應的所有理解都建立在我們所謂的典型問題的基礎上，”墨爾本大學教授、該研究的第一作者 Thomas Jelly 博士表示。 “但是當你觀察葉片上的粗糙度效應時，你會發現它實際上是完全不同的，因為有很多流體動力學和熱力學現像在這些典型情況下不存在，但存在於噴氣發動機內部，”他繼續說道。新穎的模擬表明，粗糙度對渦輪葉片的影響表現得非常不同。這主要是由於葉片在層流和湍流之間過渡。工程挑戰 據該團隊稱，表面粗糙度被發現會加速這種轉變，顯著增加葉片的傳熱並增加空氣動力損失。這兩種效應都會降低發動機效率並縮短部件壽命。它導致更高的油耗和更頻繁的維護。模擬依賴於直接數值模擬，這種方法可以在不使用建模假設的情況下解決所有相關的湍流尺度。為了實現這一目標，該團隊升級了其內部計算代碼，即用於湍流和氣動聲學研究的高性能求解器 (HiPSTAR)。然後他們針對 Frontier 的 AMD GPU 架構對其進行了優化。個別模擬案例需要數週時間才能完成。在標準筆記本電腦上運行相同的計算需要一千多年的時間。流經微米級表面粗糙度的 HPT 葉片，雷諾數 = 590,000，馬赫數 = 0.92。圖片來源：澳大利亞墨爾本大學 Thomas Jelly GE 航空航天工程師已將這些見解用於下一代 HPT 設計。這包括與 NASA 聯合開展混合熱效率核心項目，以提高商用發動機的燃油效率。該研究還支持減少航空燃油消耗和排放的更廣泛努力。更高效的渦輪機意味著相同推力燃燒的燃料更少，這直接降低了運營成本和環境影響。該團隊還在探索更好的冷卻策略。桑德伯格在一份新聞稿中總結道：“從長遠來看，我們將開發能夠更好地預測這一點的模型，以便設計人員對他們的預測更有信心，從而設計出更高效的發動機。”該研究已發表在《ASME 渦輪機械雜誌》上。總部位於北馬其頓斯科普里。她的作品曾出現在《每日郵報》、《鏡報》、《每日星報》、雅虎、《國家世界》、《新聞周刊》、《新聞公報》等媒體上。她報導了有關電池、風能、可持續航運和新發現的故事。當她不追尋下一個重大科學故事時，她會去旅行、探索新文化，或者享受美食和更好的葡萄酒。
已发布: 2026-01-28 20:58:00
