科學家們利用全球最強大的超級計算機之一，研究微觀損傷如何影響渦輪葉片的性能、燃油效率及耐用性。這個項目由墨爾本大學、GE Aerospace 和奧克里奇國家實驗室（ORNL）的研究人員合作進行，他們在 Frontier 超級計算機上進行模擬。這個系統是第一個為開放科學而設的超級計算機，能夠每秒進行超過一千兆次的計算。被稱為 Hewlett Packard Enterprise Frontier（OLCF-5）的 Frontier 是全球最強大的開放科學超級計算機，分析高壓渦輪 (HPT) 葉片的表面劣化如何影響噴氣發動機內的氣動熱效率和熱傳導。
劣化發生在微觀尺度，這使得模擬變得相當困難，因為時間和長度尺度之間存在著差異。墨爾本大學機械工程系計算力學主席 Richard Sandberg 表示，渦輪葉片很大，但其表面卻有許多微小變化。噴氣發動機的高壓渦輪在極端條件下運行，氣體溫度超過 3,600 華氏度（約 2,000 攝氏度）。隨著時間的推移，渦輪葉片因侵蝕、氧化和機械磨損而暴露於表面粗糙度下。這種粗糙度會顯著增加氣動損失，導致燃油效率下降，以及熱通量上升，進而降低耐用性並增加發動機維護頻率。
雖然這種劣化是無法避免的，但預測其對發動機效率的影響一直是工程師面臨的挑戰。為了解決這個問題，研究團隊利用 Frontier 的超級計算能力，進行了包含 100 億至 200 億個網格點的模擬，並擁有 10^17 個自由度。研究顯示，先前對粗糙度如何影響簡單幾何形狀中粘性流動的理解，並不適用於渦輪發動機的幾何形狀。墨爾本大學的 Thomas Jelly 博士表示，所有對粗糙度影響的理解都是基於所謂的典型問題，但在葉片上觀察粗糙度影響時，實際情況則相當不同，因為在這些典型情況中缺少許多流體動力學和熱力學現象，而這些現象在噴氣發動機中卻是存在的。
這些新穎的模擬顯示，渦輪葉片上的粗糙度影響行為大相徑庭。這主要是因為葉片在層流和湍流之間的過渡。根據團隊的說法，表面粗糙度被發現加速了這一過渡，顯著增加了對葉片的熱傳遞，並提高了氣動損失。這兩種影響都降低了發動機的效率，縮短了組件的壽命，最終導致更高的燃油消耗和更頻繁的維護。
這些模擬依賴於直接數值模擬，這種方法解決所有相關的湍流尺度，無需使用建模假設。為了實現這一目標，團隊升級了其內部計算代碼，即高性能湍流和氣動聲學研究求解器（HiPSTAR），並將其優化為 Frontier 的 AMD GPU 架構。每個模擬案例需要數週時間才能完成，而在普通筆記本電腦上運行相同的計算則需要超過一千年。
GE Aerospace 的工程師已經利用這些洞見來設計下一代高壓渦輪。這包括與 NASA 合作進行的混合熱效率核心項目，以改善商用發動機的燃油效率。這項研究還支持更廣泛的努力，旨在減少航空業的燃油消耗和排放。更高效的渦輪意味着在相同推力下燃燒更少的燃料，這直接降低了運營成本和環境影響。團隊還在探索更好的冷卻策略。Sandberg 在一份新聞稿中表示，從長遠來看，將開發出能更好預測這些影響的模型，以便設計師能對其預測更有信心，從而設計出更高效的發動機。該研究已發表於《ASME 渦輪機械期刊》。
