搭乘飞机的旅客人数,以及在天空中飞行的飞机数量皆不断成长,科学家 Peter Vincent 想要减少飞机起飞时所产生的排放量。

Vincent 及其在伦敦帝国学院的研究团队,正在致力于让制造商易于设计和测试更环保的飞机。

“在大西洋两侧的欧美各国都认同这项议题,我们急切需要新式科技来解决它。”身为伦敦帝国学院航空学系助理教授,同时也是英国工程暨物理科学研究委员会会员的 Vincent 说。

重量较轻的飞机排放出较少量的温室气体,而许多设计师将注意力集中在减少喷射引擎涡轮机的重量上。研究团队创造出一套开放源码软件,让设计师们能使用有 GPU 助力的超级计算机,以更有效率且准确地模拟新式设计内容的运作情况。

排放量有可能会增加三倍

这项研究使得 Vincent 及其团队入围被视为“超级计算机界诺贝尔奖”之 ACM 戈登贝尔奖(Gordon Bell Prize)决选的六支队伍。这个奖项每年在超级计算机大会上颁发,表扬使用最大型、运算能力最强大之超级计算机在科学研究方面的卓越成就。

Vincent 表示航空业必须在成长之际发展出更环保的飞机。“这不只是产生出多少污染物的问题,而是一项关于成长及永续性的议题。”他说。

航空业预估2035年时会有72亿名乘客搭机,是今年搭机人数的近两倍。产业预测数字指出,同期客机与货机的总飞行架次也会成长逾 85%。


这项使用 GPU 加速处理的模拟内容显示五具喷射引
擎低压涡轮叶片上的气流。

然而联合国国际气候变迁委员会指出,在“一如往常”的情况下,2035年时的排放量会增加三倍。有证据指出,飞机在高空排放温室气体,对于大气会有更严重的影响性。

更轻盈的飞机准备起飞

研究人员使用 Python 程序语言开发出这套称为“PyFR”,兼具弹性和跨平台特性的软件,可利用 Python 轻巧的程序码进行高性能运算作业。

研究人员运行高分辨率 GPU 加上模拟内容,测量喷射引擎低压涡轮机上的气流,以展现如何使用 PyFR 来协助开发轻量化、高效率的飞机引擎。

他们使用了 CUDA 基本线性代数次常式(cuBLAS)库及全球两具最强大的超级计算机,即橡树岭国家实验室的 Titan 与瑞士国家超级计算中心的 Piz Daint,而这两具超级计算机皆使用了的 Tesla K20X 加速器(在 Titan 上使用了逾18,000片,在 Piz Daint 上也使用了逾5,000片)。

更环保的飞机即将问世

低压涡轮机及其叶片从引擎排出的气体获得能量,并用以转动飞机的压缩机、风扇及其它零件。

现代的喷射引擎涡轮机都尽量减少叶片数量,不过这会造成气流模式不稳定,而降低引擎效率。高分辨率模拟画面让引擎制造商能瞧见当中的细节,以便解决相关问题。

“要是我们能精准模拟气流,就能知道怎么设计出最佳的涡轮机叶片。”Vincent 说。

研究团队的下一步便是将这项技术提供给航空业。

“随着航空业的成长,将更多人们带往世界各地,便需要更环保的飞机。”Vincent 说。