Om du någonsin har känt dig frustrerad när du stirrar på ett litet snurrande hjul medan en dator slutför en uppgift, försök vänta i sex veckor.

Det är situationen flygtekniker ofta befinner sig i när de konstruerar ny turbin. Med flera fläktblad som snurrar tusentals gånger per minut och luftflöden rör sig snabbare än ljudets hastighet, att noggrant modellera den komplexa maskinen är en skrämmande utmaning.

Nästan alla kommersiella flygplan använder turbinmotorer och 90 procent av världens el produceras av turbiner. I början av 1990 -talet världens ledande turbintillverkare, USA:s flygvapen och NASA kom tillsammans med akademiska experter och ett mjukvaruföretag för att bilda GUIde -konsortiet för att ta itu med de "stora utmaningarna" inom turbomaskinens aeromekanik. Nu i sin sjätte iteration, programmet fungerar för att minska tiden som hjulet snurrar från veckor till dagar samtidigt, vilket ökar simuleringens noggrannhet.

"GUIde-konsortiet finansierar pre-konkurrenskraftig forskning för att möta behoven för dess medlemmars designmetoder, "sade Robert Kielb, direktör för GUIde -konsortiet och professor i mekanik och materialvetenskap vid Duke University, som har fungerat som programmets ledande institution sedan 2008. "Under de senaste sex åren har vi har fokuserat på tvångsrespons av en inbäddad kompressor, som dikterar hur samverkande tryckvågor tvingar en turbojets fläktblad att vibrera. "

Dessa vibrationer är både en säkerhets- och en kostnadsfråga. Om knivarna vibrerar för mycket, de kan skadas över tid och kräver kostsamt underhåll. Eller värre, de kan gå sönder och orsaka motorstopp.

Turbojet ingenjörsföretag har var sin egen inbyggd programvara för att designa nya motorer, men de förlitar sig på forskning som utförts av GUIde -konsortiet för att se till att deras programvara är korrekt. De köper också paket och program från ANSYS, det enda mjukvaruföretaget i GUIde -konsortiet, som arbetar med forskare i gruppen för att testa och förbättra sina produkter.

I det senaste året, Duke -forskare under ledning av Shreyas Hegde, en doktorsexamen student i Kielbs laboratorium, behandlat flera viktiga frågor i modelleringsprogramvara som producerats av ANSYS.

"Branschens modeller gör vanligtvis en fullständig 360-graders analys för att ta reda på hur varje rad fläktblad kommer att få sina grannar att vibrera, "sa Hegde." Vi försöker hjälpa till att förenkla dessa simuleringar utan att förlora någon noggrannhet i resultaten. "

En turbojet -fläkt består av rader av blad som växlar mellan stationära "statorer" och roterande "rotorer". Även om en stor motor har flera uppsättningar av varje, simuleringar som används i konstruktionsstadiet modellerar vanligtvis endast en rotor inklämd mellan två statorer.

I en ny studie, Kielb, Hegde och deras kollegor tittade för att se vilka effekter som tillägg av ytterligare en nedströms rotor har på simuleringen. De fann att tryckvågorna som sprang genom systemet ofta reflekterar tillbaka från detta skede och påverkar vibrationen hos fläktbladen som hittades tidigare i motorn.

"Det är inte den bästa nyheten för företag som designar turbojets, eftersom ju mer komplicerad modellen blir, ju längre och svårare att tolka resultaten, "sa Kielb." Men om du inte inkluderade den extra rotorn, du kan avvisa en design även om interaktionseffekter från den rotorn skulle minska den påtvingade vibrationen tillräckligt mycket för att få den att fungera bra. Eller så kan motsatsen hända, där tillsats av rotorn till analysen visar att vibrationsamplituden faktiskt kommer att vara högre. "

Simuleringar är lättare att slutföra om var och en av rotorerna och statorerna har ett antal fläktblad med en gemensam nämnare. Till exempel, om den vanliga stator-rotor-statorsimuleringen som beskrivs ovan innehöll fläktblad med nummer 44-33-44-den gemensamma nämnaren är 11-kan den förenklas till endast 4-3-4, men ändå vara helt korrekt.

I icke-enhetliga modeller, ett av dessa siffror är något av. I det här exemplet, antalet fläktblad kan ändras till 44-33-48. Även små skillnader som detta har länge varit en tagg i branschens sida när man försöker simulera en designs prestanda.

I en annan nyligen anpassad programvara, ANSYS gjorde det möjligt att slutföra förkortade simuleringar av dessa icke-enhetliga modeller, och vände sig till Duke för att kontrollera deras arbete.

"Vi satte ihop en hel 360-graders modell som inkluderade alla de komplexiteter du kan tänka dig, "sa Kielb." Det gav en mer exakt bild av den nya ANSYS -mjukvarans förmågor och begränsningar. "

Gruppen finner att ANSYS -programvaran i de flesta fall fungerar bra, men i vissa fall det fungerar inte särskilt bra, och företagen behöver veta vilka fall som är vilka.

Och det gör ANSYS. Tack vare arbetet på Duke, mjukvaruföretaget kan upptäcka problem med sina metoder och åtgärda dem, vilket hjälper hela turbinindustrin.

"GUIde -konsortiet har pågått under en bättre del av två decennier, och det har visat sig vara ett verkligt ömsesidigt fördelaktigt arrangemang för alla inblandade, "sa Kielb." Vi kommer att spendera ytterligare två år för att dessa tvångsvibrationssimuleringar ska fungera så bra som vi kan, och sedan kommer konsortiet att gå vidare till andra utmaningar. "