设计更安全、更快、更省油的飞机，取决于能否理解物理学最难的问题之一：湍流，即混沌气流。

为应对这一挑战，波音的研究人员使用了美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的Frontier。这是全球首台E级超级计算机。他们用它模拟结冰与微观湍流气流在着陆等关键飞行阶段如何影响飞机性能。

这些模拟有望帮助工程师改进飞机设计，解释此前令风洞实验困惑的结果，并加速更省油飞机的开发。

即使很小的气动改进也能带来可测量的差异。根据波音的研究，巡航飞行中将气动阻力仅降低1%，即可使燃油消耗降低0.75%，从而降低航空公司运营成本，并可能降低票价。

湍流仍是物理学最难解决的问题之一

飞机周围的气流会在平滑、有序的运动与混沌湍流之间不断转换。准确预测这种转捩发生的时间与方式，仍是流体力学最大的未解挑战之一。

难点在于飞机表面附近大量空气分子之间的相互作用。研究人员长期关注边界层，即紧贴机翼流动的薄空气层；气流在该层内的微小变化决定飞机所受阻力的大小。

要捕捉这些相互作用，模拟必须在接近微观的尺度上考察气流。但工程师纳入的细节越多，计算需求就越高。

模拟数十亿次气流计算

飞机气动特性通常通过风洞、飞行试验和计算流体力学（CFD）模拟研究。

风洞试验与飞行实验能提供有价值的数据，但成本高、耗时长。CFD将飞机划分为包含数亿个微小网格单元的数字网格，部分单元仅数毫米宽，从而提供更快速的替代方案。

软件计算每个网格单元的气流属性，包括压力、速度和温度，再将其汇总为飞机周围气流的完整图像。

多数工程师依赖雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模拟，该方法对湍流进行估算，而非计算每一处气流旋涡。该方法的速度足以支撑全机模拟，但无法准确捕捉快速变化的湍流。

更高保真度的方法能显著提高精度，但需要远更高的计算能力。

E级计算将数月工作量缩短至数天

Frontier的作用正在于此。

这台E级超级计算机每秒可执行2×10^18次计算，使波音能够运行在传统工业系统上原本需要数月的模拟。

研究人员利用该系统研究不同冰形与冰面纹理如何影响机翼性能，并以远高于以往的细节水平对湍流建模。这些模拟还帮助评估飞机防冰系统，并解释了此前无法解释的风洞观测结果。

波音表示，更高保真度的模型将飞机升力系数的预测误差控制在1%以内，使工程师更有信心将有前景的设计推进至生产阶段。

团队认为，这些结果可能惠及更广泛的航空航天行业，因为模拟方法基于一个被广泛研究的飞机模型，其他研究人员可在此基础上改进未来飞机设计。