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345在如今的大數(shù)據(jù)時代，超級計算機堪稱數(shù)據(jù)處理方面的“最強大腦”。超級計算機有多牛？以排名世界前列的超級計算機Summit為例，全球人口不眠不休305天，才能完成Summit一秒鐘完成的計算。
這種強大的數(shù)學計算馬力在對高度復雜的系統(tǒng)進行建模時派上了大用場，致力于設計新一代風力發(fā)電機的GE工程師們正在利用Summit探究湍流是如何阻礙海上風力發(fā)電機性能的。具體而言，他們想通過分析大西洋西岸的沿海底層風場湍流來找尋此種環(huán)境中建設大型海上風電場的可能性。
對區(qū)域陣風的精確計算分析可以讓風力發(fā)電機在不過載的情況下產(chǎn)生更多風電能源、提高機組可靠性、降低維護成本，并使可再生能源結構進一步優(yōu)化。
超級計算機模擬顯示了三臺風力發(fā)電機橫截面上的瞬時風速。圖片來源：GE Research
由于沿海底層風場湍流充滿了不確定性，目前的風力發(fā)電行業(yè)對它的認知還非常有限。在大多數(shù)風力條件下，離地越遠，風速越快，但是沿海底層風場卻不是這樣，就像拋物線一樣，風力從地面向上時先加速到最大風速，然后隨著高度上升開始減速。一些科學家們認為這其中有低空海陸風對流的影響，向岸的風會受到地面摩擦力的干擾，離岸的風在經(jīng)過相對平滑的地面上則摩擦阻力會更小一些。
搞清楚沿海底層風場的風力作用意味著需要對氣流進行大量細致的建模。這個計算過程實際上是十分復雜的，因為每一臺風力發(fā)電機都會對風力有所干擾，會使得風場狀態(tài)趨向于一些無序，這時候就需要強大如Summit這樣的超級計算機進行數(shù)字處理。正如GE空氣動力學工程師Jing Li所說：“有了超級計算機，你就不必局限于觀察風如何穿過某一個葉片，你可以觀察幾十臺甚至幾百臺風機在一個大型風場中的狀態(tài)。”
超級計算機Summit
Li和團隊目前就在利用先進建模技術，進行一項名為從大氣到電子（A2e）的研究計劃。該計劃的核心目的是在不同的尺度上精準地描述這個世界，因此需要不同尺度的建模。從氣候模型到具體天氣模型，從風力模型到具體風電場風電機，由此層層往下深入，探究風穿過葉片的各種航跡是如何影響到整個風電場的性能的。
當計算科學家基于物理建立模型時，往往需要將數(shù)值的復雜性限制在計算機系統(tǒng)可實際運行的范圍內(nèi)，所以傳統(tǒng)上會對每個尺度建立不同的物理模型。而超級計算機的計算能力可以集成這些跨尺度的多個模型。
未來一年，他們計劃完成哪些工作？
首先，他們將收集大量的風力數(shù)據(jù)，以確定在大西洋沿岸地區(qū)發(fā)現(xiàn)的特定低空風場模式。
下一步，他們將模擬風場隨時間變化以及超出高度測量范圍的強度和速度，來研究大氣湍流下的載能問題。
最后，他們將使用這些模擬實驗的輸出數(shù)據(jù)作為模擬風電場的氣流數(shù)值，以便最終計算出最佳的負載能力和發(fā)電量。
事實上，復雜湍流的模型事實上可以應用于眾多其他領域。在許多工程和科學問題中，湍流的概念都存在，從風力、天氣和氣候到發(fā)動機、發(fā)電機，以及血流動力或核磁共振之類的醫(yī)療應用中，都可能涉及到湍流。未來，GE工程師們還將繼續(xù)拓展超級計算機的應用，為技術和解決方案的創(chuàng)新提供強大的動能。
