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超级计算机模拟显示了三台风力发电机横截面上的瞬时风速

2020/09/18GE中国43

在如今的大数据时代,超级计算机堪称数据处理方面的“最强大脑”。超级计算机有多牛?以排名世界前列的超级计算机Summit为例,全球人口不眠不休305天,才能完成Summit一秒钟完成的计算。

这种强大的数学计算马力在对高度复杂的系统进行建模时派上了大用场,致力于设计新一代风力发电机的GE工程师们正在利用Summit探究湍流是如何阻碍海上风力发电机性能的。具体而言,他们想通过分析大西洋西岸的沿海底层风场湍流来找寻此种环境中建设大型海上风电场的可能性。

对区域阵风的精确计算分析可以让风力发电机在不过载的情况下产生更多风电能源、提高机组可靠性、降低维护成本,并使可再生能源结构进一步优化。

超级计算机模拟显示了三台风力发电机横截面上的瞬时风速

超级计算机模拟显示了三台风力发电机横截面上的瞬时风速。图片来源:GE Research

由于沿海底层风场湍流充满了不确定性,目前的风力发电行业对它的认知还非常有限。在大多数风力条件下,离地越远,风速越快,但是沿海底层风场却不是这样,就像抛物线一样,风力从地面向上时先加速到最大风速,然后随着高度上升开始减速。一些科学家们认为这其中有低空海陆风对流的影响,向岸的风会受到地面摩擦力的干扰,离岸的风在经过相对平滑的地面上则摩擦阻力会更小一些。

搞清楚沿海底层风场的风力作用意味着需要对气流进行大量细致的建模。这个计算过程实际上是十分复杂的,因为每一台风力发电机都会对风力有所干扰,会使得风场状态趋向于一些无序,这时候就需要强大如Summit这样的超级计算机进行数字处理。正如GE空气动力学工程师Jing Li所说:“有了超级计算机,你就不必局限于观察风如何穿过某一个叶片,你可以观察几十台甚至几百台风机在一个大型风场中的状态。”

超级计算机Summit

超级计算机模拟显示了三台风力发电机横截面上的瞬时风速

Li和团队目前就在利用先进建模技术,进行一项名为从大气到电子(A2e)的研究计划。该计划的核心目的是在不同的尺度上精准地描述这个世界,因此需要不同尺度的建模。从气候模型到具体天气模型,从风力模型到具体风电场风电机,由此层层往下深入,探究风穿过叶片的各种航迹是如何影响到整个风电场的性能的。

当计算科学家基于物理建立模型时,往往需要将数值的复杂性限制在计算机系统可实际运行的范围内,所以传统上会对每个尺度建立不同的物理模型。而超级计算机的计算能力可以集成这些跨尺度的多个模型。

未来一年,他们计划完成哪些工作?

首先,他们将收集大量的风力数据,以确定在大西洋沿岸地区发现的特定低空风场模式。

下一步,他们将模拟风场随时间变化以及超出高度测量范围的强度和速度,来研究大气湍流下的载能问题。

最后,他们将使用这些模拟实验的输出数据作为模拟风电场的气流数值,以便最终计算出最佳的负载能力和发电量。

事实上,复杂湍流的模型事实上可以应用于众多其他领域。在许多工程和科学问题中,湍流的概念都存在,从风力、天气和气候到发动机、发电机,以及血流动力或核磁共振之类的医疗应用中,都可能涉及到湍流。未来,GE工程师们还将继续拓展超级计算机的应用,为技术和解决方案的创新提供强大的动能。



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