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凭借2000万美元的美国能源部拨款,斯坦福研究人员计划使用一些世界上最快的超级计算机来模拟高超音速飞行的复杂性,重点关注燃料和空气如何通过超燃冲压发动机

航空工程师认为高超音速飞机飞行在7到15有一天,声音的速度有一天会改变空中和太空旅行的面貌

也就是说,如果他们能够掌握这种飞行已知的未知数,那么高超音速飞行对于飞机结构和物理学中的机械力都是一个特别激烈的工程挑战必须在飞机飞行的高层大气的极端情况下运行的复杂发动机Parviz Moin教授展示了喷气发动机排气温度波动模拟的细节他称这是有史以来最大的工程计算之一真实世界实验室只能在复制这些条件方面走得那么远,而且测试车辆也是如此红色极其脆弱在美国政府最近的三次测试中,两次以车辆故障结束但现在,由于美国能源部提供了一项为期五年,耗资2000万美元的拨款,斯坦福大学正在进行一项跨部门,多年的研究工作,世界上最快的超级计算机实际应对这些挑战斯坦福预测科学学术联盟计划(PSAAP)正在使用计算机模拟高超音速环境的物理复杂性 - 特别是燃料和空气如何通过高超音速飞机发动机,称为超燃冲压发动机引擎PSAAP是机械工程,航空航天,计算机科学和数学系以及斯坦福大学计算与数学工程研究所的合作,特别是该计划的重点是所谓的超燃冲压发动机的“不启动”问题,Parviz Moin表示,工程学院的Franklin P和Caroline M Johnson教授他是斯坦福湍流研究中心的创始主任和PSAAP的教师主任“如果你在尝试启动它时在发动机中加入太多燃料,你会得到一种称为'热窒息'的现象,其中冲击波通过发动机,“他解释说”基本上,发动机没有得到足够的氧气而且它会死亡就像试图在飓风中点燃一场比赛一样“对未开始现象进行建模需要对物理学有一个清晰的认识,然后在数学上再现极其复杂的相互作用

高超音速发生真实地模拟物理世界是不可能的,航空航天学副教授胡安·阿隆索说:“当你根据某些方面不完美的计算决策时,你会犯错误,”他说,“不仅如此但是,这些高超声速飞行器本身在空气中的行为方式存在不确定性“因此,PSAAP的主要目标是尝试使用防止这些不确定性 - 已知的未知因素 - 以便超燃冲压发动机工程师能够在其设计中建立适当的公差,使发动机能够在非常环境中运行测量工程师所谓的认知不确定性在现实世界的实验工作中很常见,研究人员通常会注意到不确定性在具有上限和下限的条形式的测量中但是由计算机模型产生的硬数字没有不确定性条,因此可以采取无根据的,有潜在危险的确定性空气“我们已经要求实验者长时间给予关于他们测量的不确定性条款,“Moin说道

”但我认为现在是时候要求计算人员做同样的事情“数值预测中的不确定性的量化是PSAAP的核心Gianluca Iaccarino,机械工程助理教授,领先这种努力计算创新计算不确定性的一个原因nty量化是一个相对较新的科学,直到最近,必要的计算机资源根本不存在“我们的一些最新计算同时运行在163,000个处理器上,”Moin说:“我认为它们是有史以来最大的一些计算“由于与能源部的密切关系,斯坦福PSAAP团队可以使用劳伦斯利弗莫尔,洛斯阿拉莫斯和桑迪亚国家实验室的大型计算机设施,在那里可以运行最大和最复杂的模拟 需要专业知识才能使这种规模的计算机有效地运行,然而“这并不是科学家和工程师应该担心的事情,”Alonso说,这就是为什么各部门之间的合作至关重要“机械工程师和我们这些航空工程师和宇航员了解超燃冲压发动机的流动和燃烧物理以及预测工具我们需要计算机科学家帮助我们弄清楚如何在这些大型计算机上运行这些测试,“他说,随着超级计算机的移动,这种需求将在未来十年内增加走向百亿亿次级计算机 - 拥有一百万或更多处理器的计算机能够在一秒钟内完成数据计算思考到目前为止,由计算机科学教授Pat Hanrahan领导的PSAAP团队创建了LISZT,这是一种全新的计算机运行语言大规模处理器集的复杂仿真LISZT的优点在于它能够直接表达问题通过专为exascale架构设计的代码,工程和科学领域的ems使得在流体物理,燃烧,湍流和其他数学上强烈的应用中工作的专家同样可以使用它,同时保持高度计算效率的LISZT似乎是最可行的之一方法 - 有些人说只有方法 - 用于在百亿亿次级别上进行真正的科学建模,这种区别吸引了广泛的国际兴趣“除非你将计算机科学家,数学家,机械工程师和航空航天工程师放在一起,否则这是你永远无法创造的东西

同样的房间,“Alonso说道

”做到这一点,并且你可以产生一些非常神奇的结果“几个方面的进展除了在计算机建模和LISZT的创造中认知不确定性的处理方面取得进展之外,斯坦福大学PSAAP团队取得了重大进展在支持超燃冲压发动机的特定学科中ering:一般的燃烧,湍流和流体流动虽然在高速超声速度工作的风洞中运行实际超燃冲压发动机的挑战仍然令人生畏,但斯坦福PSAAP项目的独特之处在于它支持物理实验的进步“我们已经我们对实验的计算工作得到了很好的验证,“Moin说道

”特别是在高温气体动力学实验室和流动物理学小组中,我们开发了许多新技术来验证我们如何在我们的计算机代码中构建物理模型“总的来说,这些见解将使更安全,更可靠的超音速发动机的设计成为可能

但PSAAP在量化不确定性方面的进步具有其他更广泛的意义,Alonso说:“这些相同的技术可用于量化风电场周围的空气流量,或者,对于复杂的全球气候模型,“他说”我在洛斯阿拉莫斯与那些对全球气候感兴趣的人交谈,并猜测 什么

就像超燃冲压发动机的模型一样,现在它们的气候模型远非完美,但它并没有阻止它们向前推进“来源:西蒙弗斯,斯坦福大学新闻图片:斯坦福大学新闻

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