Han flyttar in den fysiska vindtunneln i datorn

Philipp Schlatters forskning kan leda till att dagens fysiska vindtunnlar ersätts med datorsimuleringar. Ett första steg är att lyckas simulera de turbulenta luftströmmarna kring en enskild flygplansvinge. 

Philipp Schlatter

Professor i strömningsmekanik

Wallenberg Academy Fellow 2013

Lärosäte:
KTH

Forskningsområde:
Turbulensforskning

Vindtunnlar spelar en viktig roll vid utvecklingen av flygplan men även av andra fordon. Här driver stora fläktar luften över fordon som täckts av sensorer med målet att hitta den mest effektiva och bränslesnåla designen. 

Men tunnlarna är både dyra att bygga och att använda, dessutom är sensorerna känsliga. Ett mer kostnadseffektivt sätt är att simulera försöken i en dator. 

– När vi simulerar försöken virtuellt kan vi få större kontroll och det är enklare att påverka allt från hastigheter till temperaturer, säger Philipp Schlatter. 

Men det finns många utmaningar med de virtuella simuleringarna. Den största är själva turbulensen i sig, menar Philipp Schlatter. 

– Turbulens är i dag ett av de svåraste områdena inom den klassiska fysiken. 

Kaotiska strömningar

Turbulensen beskrivs som en kaotisk strömning som uppträder slumpmässigt när till exempel luft eller vätska når höga hastigheter. I det kaotiska flödet bildas hundratusentals små virvlar som interagerar med varandra. 

Vid en simulering räknas varje enskild virvel fram matematiskt. Beräkningarna görs utifrån ett rutnät av punkter som beskriver ytan av till exempel en flygplansvinge. Beteendet i varje punkt, eller virvel, beskrivs med hjälp av ekvationer som resulterar i mer eller mindre exakta medelvärden. Antalet beräkningar som krävs är enormt och ställer stora krav både på metoder och datorer. 

Philipp Schlatters mål är att lyckas simulera en cirka två meter lång flygplansvinge som rör sig i ett par hundra kilometer i timmen. Skulle en liknande simulering göras av ett helt flygplans färd under en sekund så krävde det hela planetens datorkraft. Samtidigt tror han inte att det någonsin kommer att bli aktuellt. 

– Det är viktigare att utveckla dagens metoder för att skapa en förståelse för hur virvlarna interagerar. Det öppnar för nya turbulensmodeller som ger motsvarande kunskap utan att simulera hela flygplan. 

Schlatters forskargrupp har redan lyckats simulera en del av en flygplansvinge som rör sig i ungefär samma hastighet som ett segelflygplan. Simuleringen har validerats experimentellt vid KTH:s vindtunnel. 

– Vi visade att vi kan göra samma sak virtuellt som i en tio meter lång vindtunnel med tio meter i takhöjd. Nu går vi vidare för att simulera även de allra största vindtunnlarna i världen. 

Klassiska metoder

Här är det klassiska beräkningsmetoder som är de viktigaste, även om utvecklingen inom AI och maskininlärning kommit till nytta. 

– Vi kan till exempel använda maskininlärning för att strukturera data från hundratusentals samtidiga virvlar för att kunna se betydelsen av varje virvel. 

Maskininlärning kan även bidra till att öka noggrannheten i simuleringen genom att förutse i vilka punkter som beräkningarna behöver bli mer detaljrika. 

Forskningen drar även nytta av de nya superdatorsatsningar som pågår i Europa. Här finns Linköping universitets nya superdator Berzelius som blivit verklighet tack vare ett stöd från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse. Samt den nya superdatorn Dardel som ska stå klar på KTH under hösten 2021. 

Det verkliga flaggskeppet blir dock den finska LUMI som kommer att bli en av världens mest kraftfulla superdatorer. Den är en del av EU-projektet EuroHPC som bygger sju nya superdatorer på olika platser i Europa 

– LUMI kommer att kunna ge vår forskning en verklig push framåt. Men samtidigt kräver den att vi anpassar vår kod för att passa processorerna som LUMI använder, säger han. 

LUMI blir en del av superdatorcentret i Kajana där metoder och kod som utvecklats inom ramen för Philipp Schlatters forskning redan används. 

Brett område

Metoderna för att simulera turbulens kommer att kunna få en bred användning eftersom turbulens uppstår överallt i naturen, såväl i köket när du lagar mat som i fjärrvärmerör, vatten och avlopp. 

– Det gör strömningsmekanik till ett så roligt område. Resultaten kan tillämpas inom så gott som alla fält, även inom medicin där vi till exempel kan simulera spridningen av en luftburen smitta som coronaviruset. 

”Detta anslag är viktigt eftersom det gör det möjligt att utveckla grundläggande metoder vilket det är svårt att hitta finansiering till.”

KTH har länge varit starka inom strömningsmekanik och det var därför Philipp Schlatter sökte sig hit. 

– I min familj var det aldrig en fråga om jag skulle doktorera utan i vilket ämne. En privilegierad situation men också mycket prestationsinriktad. 

När han började plugga valde han matematik men tappade intresset eftersom det mesta av tiden ägnades till att bevisa lösningar utan att räkna fram resultaten. 

– Det är viktigt för mig att arbeta resultatinriktat, som att lyckas simulera en viss vingprofil. Men det behöver inte leda till en industriell tillämpning. Viktigare är att kunskapen och metoderna sprids och används. 

I dag är han halvvägs till målet att lyckas simulera en hel vinge i marschfart. Men ingenjören i honom har inte svårt att hitta nya mål i vardagen. Inte ens när han bygger Duplo med sin dotter. 

– Duplo kan vara ganska intressant från ett strukturellt perspektiv: hur bygger man för att det ska bli stabilt. Det har slagit mig att jag kanske ska programmera en metod för att simulera olika optimala sätt att bygga. 

Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Magnus Bergström