Computationele vloeistofdynamica (CFD): revolutie in het luchtvervoer.

Toekomstmuziek wordt werkelijkheid 

Door: Maycol Vargas

Amsterdam, 28 mei – Joby Aviation is een startup opgericht in 2009 en heeft eigenlijk meer dan 700 medewerkers. Het bedrijf, gevestigd in Californië – VS, ontwikkelt een bestuurd, volledig elektrisch verticaal start- en landing vliegtuig (eVTOL).

Het belangrijkste doel van het bedrijf is de ontwikkeling van een stil, snel en niet-vervuilend vliegtuig, en daarmee een revolutie teweeg te brengen in persoonlijke mobiliteit in de luchtvaartindustrie.

Het vijfzits vliegtuig, dat in 2020 publiekelijk werd onthuld, is van plan om begin 2024 passagiers te gaan vervoeren.

Het gebruik van CFD, is waar de ingenieurs van Joby Aviation de meeste van hun inspanningen op hebben gericht. De CFD is een onderwerp dat het mogelijk maakt om de dynamiek van de vloeistofstroom te begrijpen, in dit geval de luchtstroom over het gehele vliegtuig. 

Het gebruik van CDF is interessant, omdat het veel en veel goedkoper is dan testen en prototypes bouwen. CFD wordt echter over het algemeen gebruikt als een aanvullende studie en niet als de belangrijkste focus. Deze aanpak maakte een snelle herhaling van het ontwerp mogelijk, terwijl het team onderzoek deed naar andere ontwerpen en architecturen.

Het gebruik van de CFD gaf ingenieurs een goed begrip van wat ze konden verwachten van de prestaties van het vliegtuig en vanwege het innovatieve karakter van het project had het team geen toegang tot gegevens van eerdere projecten, waardoor een empirische basis ontbrak. Als alternatief leverden de numerieke simulaties de teams waardevolle kennis op. 

Volgens aero mechanische leider Alex Stoll “Niemand heeft ooit eerder zo’n vliegtuig ontworpen. We zijn baanbrekend […] De aerodynamica is complex en daarom hebben we sterk op CFD vertrouwd om de verschillende interacties in het casco te begrijpen. “

CFD-simulaties zijn complex en rekenintensief, gebruiken elk honderden CPU-kernen en nemen volgens de ingenieurs van Joby enkele uren in beslag. 

Het bedrijf draaide aanvankelijk Simcenter STAR-CCM + CFD-software en gebruikte een lokaal cluster voor de simulaties. Toen hij een andere ingenieur ontmoette die de CFD op Amazon Web Services (AWS) uitvoerde, realiseerde Alex Stoll zich dat het gebruik van de cloud de efficiëntie kon verbeteren, de kosten kon verlagen en de productiviteit van Joby’s ingenieurs kon verhogen, waardoor de reactietijd op het werk afnam. 

Stoll: “Het gebruik van AWS helpt ons om sneller resultaten uit ons CFD-werk te halen. In sommige gevallen krijgen we binnen 24 uur resultaten die eerder een week hebben geduurd. Om dezelfde analyses op dezelfde schaal en met dezelfde doorlooptijd uit te voeren met behulp van lokale bronnen, zouden we een enorm rekencluster moeten hebben met een laag verbruik, wat zowel in aanschaf als in onderhoud veel duurder zou zijn. “

Het vliegtuig

Het vliegtuig heeft zes propellers en kan op verschillende manieren opstijgen, variërend in energie-efficiëntie, snelheid en geluidsniveau. Jeremy Bain, hoofd van de CFD bij Joby, zei: “Misschien kunnen we enkele aanpassingen maken aan de manier waarop de piloten het vliegtuig besturen, waardoor we onze geluids voetafdruk kunnen verkleinen, wat essentieel is voor acceptatie door de gemeenschap […] CFD is de voor ons de beste manier om alle opties in één keer te analyseren en een duidelijk beeld te krijgen van wat er gebeurt.”

De volgende video laat zien hoe het vliegtuig verticaal opstijgt, zoals een helikopter, en vervolgens de configuratie verandert tijdens de vlucht. Volgens het bedrijf kan het vliegtuig een maximale snelheid van 320 km/u halen, 240 km afleggen op één lading en 100 keer stiller zijn dan een conventioneel vliegtuig.

Nieuwe vervoersoptie

Door CFD-modellen uit te voeren met behulp van HPC en AWS cloudgebaseerde beheerde infrastructuur, kon Joby Aviation het ontwerp van het vliegtuig optimaliseren en tegelijkertijd de kosten beheersen. “We kunnen allerlei soorten analyses snel in de cloud uitvoeren en vervolgens verkleinen als we niet al die energie gebruiken”, aldus Bain. “Als je met een vliegtuig vliegt, wil je zoveel mogelijk analyse onder je riem hebben”, voegt Bain toe, “en met het doel om in 2024 in dienst te treden, was het belangrijk voor ons om efficiënt te werken, wat AWS mogelijk heeft gemaakt. ons te doen.”

prototype, foto: Jody Aviaiton

De toekomst

Volgens Joby Aviation en onthuld in een presentatie van het bedrijf aan zijn investeerder, is de verwachting dat elk vliegtuig 1,3 miljoen dollar zal kosten om te produceren, met het potentieel om die waarde in de toekomst met de helft te verminderen. 

Volgens projecties van het bedrijf zal elk vliegtuig naar verwachting $ 2,2 miljoen aan inkomsten genereren. 

Gezien het feit dat alle vliegtuigen 7 uur per dag vliegen en 12 uur in bedrijf of 2.300 uur per jaar en 4.500 uur in bedrijf zijn, met een gemiddelde van 2,3 passagiers per reis.

Maycol M. Vargas is een luchtvaartingenieur met een doctoraat in ruimtevaarttechniek en -technologie en Eyesonbrasil-correspondent.