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247在如今的大數(shù)據(jù)時(shí)代，超級計(jì)算機(jī)堪稱數(shù)據(jù)處理方面的“最強(qiáng)大腦”。超級計(jì)算機(jī)有多牛？以排名世界前列的超級計(jì)算機(jī)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(jì)算。
這種強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算馬力在對高度復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行建模時(shí)派上了大用場，致力于設(shè)計(jì)新一代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的GE工程師們正在利用Summit探究湍流是如何阻礙海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)場湍流來找尋此種環(huán)境中建設(shè)大型海上風(fēng)電場的可能性。
對區(qū)域陣風(fēng)的精確計(jì)算分析可以讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不過載的情況下產(chǎn)生更多風(fēng)電能源、提高機(jī)組可靠性、降低維護(hù)成本，并使可再生能源結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化。
超級計(jì)算機(jī)模擬顯示了三臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)橫截面上的瞬時(shí)風(fēng)速。圖片來源：GE Research
由于沿海底層風(fēng)場湍流充滿了不確定性，目前的風(fēng)力發(fā)電行業(yè)對它的認(rèn)知還非常有限。在大多數(shù)風(fēng)力條件下，離地越遠(yuǎn)，風(fēng)速越快，但是沿海底層風(fēng)場卻不是這樣，就像拋物線一樣，風(fēng)力從地面向上時(shí)先加速到最大風(fēng)速，然后隨著高度上升開始減速。一些科學(xué)家們認(rèn)為這其中有低空海陸風(fēng)對流的影響，向岸的風(fēng)會受到地面摩擦力的干擾，離岸的風(fēng)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(fēng)場的風(fēng)力作用意味著需要對氣流進(jìn)行大量細(xì)致的建模。這個(gè)計(jì)算過程實(shí)際上是十分復(fù)雜的，因?yàn)槊恳慌_風(fēng)力發(fā)電機(jī)都會對風(fēng)力有所干擾，會使得風(fēng)場狀態(tài)趨向于一些無序，這時(shí)候就需要強(qiáng)大如Summit這樣的超級計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理。正如GE空氣動力學(xué)工程師Jing Li所說：“有了超級計(jì)算機(jī)，你就不必局限于觀察風(fēng)如何穿過某一個(gè)葉片，你可以觀察幾十臺甚至幾百臺風(fēng)機(jī)在一個(gè)大型風(fēng)場中的狀態(tài)?！?
超級計(jì)算機(jī)Summit
Li和團(tuán)隊(duì)目前就在利用先進(jìn)建模技術(shù)，進(jìn)行一項(xiàng)名為從大氣到電子（A2e）的研究計(jì)劃。該計(jì)劃的核心目的是在不同的尺度上精準(zhǔn)地描述這個(gè)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(fēng)力模型到具體風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)，由此層層往下深入，探究風(fēng)穿過葉片的各種航跡是如何影響到整個(gè)風(fēng)電場的性能的。
當(dāng)計(jì)算科學(xué)家基于物理建立模型時(shí)，往往需要將數(shù)值的復(fù)雜性限制在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可實(shí)際運(yùn)行的范圍內(nèi)，所以傳統(tǒng)上會對每個(gè)尺度建立不同的物理模型。而超級計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力可以集成這些跨尺度的多個(gè)模型。
未來一年，他們計(jì)劃完成哪些工作？
首先，他們將收集大量的風(fēng)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(fēng)場模式。
下一步，他們將模擬風(fēng)場隨時(shí)間變化以及超出高度測量范圍的強(qiáng)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(shí)驗(yàn)的輸出數(shù)據(jù)作為模擬風(fēng)電場的氣流數(shù)值，以便最終計(jì)算出最佳的負(fù)載能力和發(fā)電量。
事實(shí)上，復(fù)雜湍流的模型事實(shí)上可以應(yīng)用于眾多其他領(lǐng)域。在許多工程和科學(xué)問題中，湍流的概念都存在，從風(fēng)力、天氣和氣候到發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)，以及血流動力或核磁共振之類的醫(yī)療應(yīng)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(jì)算機(jī)的應(yīng)用，為技術(shù)和解決方案的創(chuàng)新提供強(qiáng)大的動能。
