Bättre lyftkraft åt flygplan

Resultatet har redan fått vingar och presenteras idag, den 15 januari, på världskonferensen för flyg- och rymdforskning ”SciTech2014” i Maryland USA.

I sin forskning simulerar Hoffman turbulenta luftflöden kring flygplan genom att med kraftfulla datorer göra beräkningar på ett nytt sätt.

Hans forskning har resulterat i en metod där det turbulenta flödet kring flygplan kan analyseras på ett mer noggrant och samtidigt mer effektivt sätt. Metoden kan till exempel användas för simuleringar i samband med framtagning av nya flygplansmodeller där den aerodynamiska designen ska optimeras för bästa lyftkraft.

– Mer aerodynamiskt anpassade flygplan skapar mindre luftmotstånd. Det bidrar till att sänka bränsleförbrukning, minska koldioxidutsläppen och ger kostnadsbesparingar, säger Johan Hoffman som är professor i numerisk analys.

Med hjälp av datorsimuleringar kan modeller av hela flygplan utformas och testas i datorn utan att de behöver byggas fysiskt förrän sent i processen. Det minskar antalet prototyper och sänker utvecklingskostnader. Förhoppningen är att det ska skynda på utvecklingen av nya effektiva flygplan med lägre koldioxidutsläpp.

Konferensen, där resultatet presenteras, arrangeras av The American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) och pågår 13-17 januari, med deltagare från flyg- och rymdforskningen samt industrin från 45 nationer.

Det är Nasa, tillsammans med den amerikanska flygplanstillverkaren Boeing, som har bett KTH-forskarna att berätta om metoden och sina resultat på konferensen. Nasa och Boeing har tidigare låtit KTH-forskarna testa sina simuleringsberäkningar mot detaljerade experimentella mätningar. Dessa tester har bekräftat att resultaten stämmer väl mot verkligheten.

Det speciella med metoden som forskargruppen har utvecklat är bland annat ett nytt och automatiskt sätt att placera ut de datapunkter som används för turbulensberäkningarna. Punkterna bildar ett nät som beskriver luften utanför flygplanet. Systemet lär sig successivt var det ska placera ut datapunkterna för att få fram de mest effektiva och noggranna beräkningarna. För att kunna göra dessa beräkningar använder Johan Hoffman, Rodrigo Vilela De Abreu, Niclas Jansson och Johan Jansson bland annat Nordens mest kraftfulla datorsystem som finns på KTHs superdatorcenter PDC: ett 306 TF Cray XE6 system, som kallas Lindgren.

Ju fler datapunkter som används i en beräkning desto noggrannare resultat. Samtidigt ökar kostnaden i takt med antalet punkter. Det har tidigare inneburit att vid beräkningar av turbulent luftflöde har forskare behövt göra förenklingar och uppskattningar, vilket har minskat noggrannheten i simuleringarna.

– Antingen väljer du själv var punkterna bäst ska placeras över flygplanet, vilket är svårt och tidskrävande, eller så använder du vår metod för att hitta det mest lämpliga nätet av punkter, säger Johan Hoffman.

Metoden tillhör framtidens beräkningssätt och gör teamet till ett av de främsta i världen. Forskarlaget beräknar inte bara ett medelvärde av det turbulenta flödet, vilket kan liknas vid en bild, utan kan även följa rörelsen av det turbulenta flödet kring flygplanet, vilket skulle kunna liknas vid en film. Metoden är närmast revolutionerande kostnadseffektiv.

Andra unika delar av metoden är att forskarna inte sätter ut mängder av datapunkter allra närmast flygplanets yta, där friktion mot luften uppstår. Istället har de funnit en enkel modell av denna effekt. Den förenklingen har visat sig ha en så liten betydelse för noggrannheten i resultatet att det nästan inte spelar någon roll, men bidrar stort till kostnadseffektiviteten i metoden.

Forskargruppen simulerar mer än turbulens kring flygplan. Redan 2010 uppmärksammande Nasa och Boeing deras metod när de simulerade turbulens kring landningsställ – det vill säga de hjulkonstruktioner under flygplanet som fälls in under färd.

För beräkning av turbulenta flöden som beskriver temperatur, hastighet och tryck använder forskarvärlden de 250 år gamla Navier-Stokes ekvationer. Tidigare har forskare behövt förändra ekvationerna genom att lägga till nya parametrar för att kunna göra beräkningar. KTH-forskarna har hittat ett sätt att lösa ekvationerna utan att först behöva föra in nya parametrar, vilket leder till noggrannare resultat.

Johan Hoffman ser att hans forskning kommer att kunna fortsätta utvecklas i takt med att datorerna blir allt kraftfullare.

– Idag kan vi analysera flödet kring en hel flygplanskropp, så småningom kommer vi att kunna simulera fullständiga lyft och landningar inklusive det buller som genereras från motorer och landningsställ. Vi kommer också att kunna studera i detalj hur ett flygplan påverkas av att vingar böjer sig och vibrerar under start och landning.

Det är just lyft och landningar som är de mest extrema situationerna för flygplanen och som därför särskilt intresserar forskarna.

Datorsimuleringarna kan användas till mer än flygplan och deras landningsställ. Luftmotstånd för bilar och andra fordon är ett exempel. Men simuleringsverktygen och beräkningsmetoderna löser generella matematiska ekvationer, så kallade differentialekvationer, och kan tillämpas även på helt andra områden som inom klimat och energiforskning för strömmande vatten och vågkraft till exempel. Men även biologi och medicin är forskningsfält där beräkningarna används. Ett exempel är simulering av luftflöden och stämband i halsen kopplat till den mänskliga rösten, vilket också är målet för EU-projektet ”Eunison” som leds av KTH. Metoden ligger även till grund för ett annat KTH-projekt som går ut på att bygga en simuleringsmodell av blodflödet i det mänskliga hjärtat.

FAKTA
Om Navier-Stokes ekvationer
Navier-Stokes ekvationer har fått sitt namn från Claude-Louis Navier och George Gabriel Stokes som i början av 1800-talet beskriv hur flöden av vätskor och gaser beter sig. Ekvationerna bygger vidare på de ekvationer som matematiker Leonard Euler hade introducerat i mitten av 1700-talet. Även om ekvationerna togs fram för 250 år sedan så har de kunnat lösas för turbulent flöde först med datorernas hjälp.

Filmer av simuleringar:
Ett simulerat turbulent luftflöde kring ett flygplan nära landning:
https://www.youtube.com/watch?v=TSxCFoBgxUw&list=PLE2FCB8CABFBC0965&index=1

Ett simulerat turbulent luftflöde kring landningsställ
http://www.youtube.com/watch?v=s-oBE-QWuGo