"Vores model fandt frem til, at skillevæggene skal placeres ude mod siderne i stedet for i midten," siger Niels Aage. Han står med en 3D-printet del af den flyvingemodel, som hans og kollegernes program udviklede.
Den mest effektivt konstruerede flyvinge har en struktur, der ligner det indre af et fuglenæb.
Det var en af de opdagelser, lektor Niels Aage og hans kolleger gjorde, da de benyttede en supercomputer til at modellere en flyvinge i en højere detaljeringsgrad, end nogen før har gjort. Resultatet indgår nu i en artikel i det ansete videnskabelige tidsskrift Nature.
Vejen til artiklen i Nature begyndte med en snak for nogle år siden mellem Niels Aage og hans kolleger Ole Sigmund, Erik Andreassen og Boyan Lazarov. De arbejder alle med topologioptimering på DTU Mekanik.
Topologi-optimering handler om at optimere brugen af materialer, når man konstruerer noget. En computermodel regner konstruktionen igennem og finder ud af den mest effektive fordeling af materialer.
"Vi talte om, at vores akademiske modeller var begrænsede af, hvad det er muligt at regne på. Vi mente, at jo mere detaljeret vi kunne gøre modellen, desto bedre ville resultatet blive. Hvad nu, hvis vi kunne regne på en model med en milliard elementer?" siger Niels Aage.
Da de alle var interesserede i flyvning, faldt valget på at forsøge at modellere en hel flyvinge i en 200 gange højere opløsning, end det hidtil var sket. Hvert element skulle være under en gange en gange 1 cm.
Søgte om computerkraft
Næste skridt var at finde en computer, der var stor nok til at foretage modellering i den størrelsesorden. Opgaven krævede mere, end den største danske supercomputer kunne levere.
Derfor søgte forskerne om regnekraft hos PRACE (Partnership for Advanced Computing in Europe). PRACE uddeler regnekraft til forskningsprojekter på de største europæiske supercomputere.
"For at få tildelt tid på PRACE skulle vi dokumentere, at vores programkode kunne udnytte tusindvis af processorer samtidig. Til det formål lånte vi DTU's supercomputer JESS. Vi fik lov til at få den for os selv i et døgn, hvor vi kørte vores kode på 5.000 kerner samtidig," fortæller Niels Aage.
Med det bevis i hånden fik forskerne tildelt 12 millioner kernetimer på computeren CURIE. Her var der mulighed for at køre på op til 30.000 kerner samtidig.
"Da koden kom op at køre i praksis, løb vi ind i problemer, hvor vores teknikker alligevel ikke fungerede helt. Vi brugte den første tredjedel af vores tildelte timer på at få koden til at virke i stor skala. Den næste tredjedel gik med at tilpasse fysikken, og den sidste tredjedel var de egentlige produktionskørsler," siger han.
Over en milliard elementer
Det endte med, at der blev regnet på næsten 1,1 milliarder elementer. Resultatet blev en flyvingestruktur, der på nogle områder ligner de flyvinger, industrien konstruerer i dag – men som på andre adskiller sig.
Inde i en flyvinge er der langsgående spær og tværgående ribber. Forskningsprojektets optimerede flyvinge har krumme spær. I stedet for en skillevæg i midten af vingen har modellen placeret to krumme skillevægge i siderne.
De krumme spær får det indre af vingen til at se mere organisk ud. Det ligner det indre af en fugleknogle eller et næb.
"Vi har bagefter regnet på effektiviteten af vores model sammenlignet med en reel flyvinge. Det viser sig, at man ville spare to til fem procent af materialerne ved at bruge vores model," fortæller Niels Aage.
To til fem procent mindre materiale vil indebære en reel besparelse for flyproducenten. Alligevel venter han ikke, at flyindustrien direkte vil anvende resultaterne fra projektet.
"Der er en række regler og standarder, som flyproducenter skal følge, og som kan gøre det besværligt at gå over til et design som vores," siger han.
PRACE gav god betjening
Han er meget tilfreds med den betjening, han og hans kolleger fik af folkene fra PRACE.
"Der er nogle strikse regler, fordi de skal sikre maksimal udnyttelse af deres supercomputere. Men de er til gengæld meget effektive. Vi kunne bede om at få adgang til 30.000 kerner, og 18 timer senere havde vi det," siger han.
Forskerne kommunikerede med supercomputeren i Frankrig via forskningsnettets internationale forbindelser.
Niels Aage vil gerne fortsætte med at bruge supercomputere som værktøj i sin forskning. Han håber, at der kommer en ny ansøgning om PRACE-ressourcer i fremtiden. Men han så også gerne flere supercomputerkræfter i Danmark:
"Det ville være fint, hvis vi i Danmark havde lige så store computere som dem i PRACE. I dag er vores projekter begrænset af størrelsen på de computere, vi kan regne på," siger han.
Han kunne godt tænke sig, at arbejdet med modellering på supercomputer blev mere interaktivt. I dag sætter man computeren til at regne, hvorefter man vurderer det færdige resultat. Niels Aage kunne godt tænke sig, at det var muligt undervejs at se delresultater og ændre på beregningerne ud fra dem.
Læs mere
- Giga-voxel computational morphogenesis for structural design, Nature
- Engineering: Computational design hits record resolution, Nature
- Project TopWing published top innovative results in NATURE, PRACE
- Watch a supercomputer design a radical new wing for airplanes, Science
- Optimizing an airplane wing more precisely than ever before, In The Field blog
På billedet har forskerne lagt et konventionelt vingedesign oven på deres model (den blå figur) og et design, der følger anbefalingerne fra den optimerede model (den røde figur). Illustration: Nature