超級(jí)計(jì)算與機(jī)器學(xué)習(xí)怎樣幫助電廠改善運(yùn)營(yíng)

德國(guó)斯圖加特大學(xué)的科研人員利用超級(jí)計(jì)算機(jī)和機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)出一套工具，可幫助火電廠、核電廠、地?zé)犭姀S等改善運(yùn)營(yíng)效率。

高性能計(jì)算資源和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)幫助德國(guó)斯圖加特大學(xué)（University of Stuttgart）的科研人員建模，指導(dǎo)火電廠、核電廠、地?zé)犭姀S運(yùn)營(yíng)升級(jí)，變得更清潔、安全、高效。

傳統(tǒng)火力發(fā)電廠的殘余水必須與發(fā)電產(chǎn)生的蒸汽分開。這一流程限制了效率，而且在早幾代發(fā)電廠中，它還不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致爆炸。上世紀(jì)二十年代，英國(guó)人馬克·本森（Mark Benson）意識(shí)到，如果水和蒸汽可以共存，就能降低這種風(fēng)險(xiǎn)，提高發(fā)電廠效率。讓水處于超臨界狀態(tài)，即，水的液態(tài)和氣態(tài)同時(shí)存在，成為一種新的液體，這時(shí)就能實(shí)現(xiàn)水和蒸汽的共存。要實(shí)現(xiàn)這種超臨界狀態(tài)所需的溫度和壓力條件的成本很高，使得本森的專利產(chǎn)品“本森鍋爐”沒有在發(fā)電廠中廣泛應(yīng)用，但他的理論讓世界首次認(rèn)識(shí)了超臨界發(fā)電技術(shù)。

大約過了一個(gè)世紀(jì)，德國(guó)斯圖加特大學(xué)的核技術(shù)與能源系統(tǒng)研究所（Institute of Nuclear Technology and Energy Systems， IKE）及航天熱力學(xué)研究所（InsTItute of Aerospace Thermodynamics， ITLR）重新研究本森的理論，探索其如何提高現(xiàn)代發(fā)電廠的安全性和效率。科研人員利用高性能計(jì)算技術(shù)（HPC）開發(fā)工具，讓超臨界熱傳遞更可行。研究人員指出，“與亞臨界發(fā)電廠相比，超臨界發(fā)電廠的熱效率更高，不用配備多種類型設(shè)備，例如各類蒸汽干燥器，布局更緊湊?！?/p>

航天熱力學(xué)研究所的研究人員牽頭該研究的計(jì)算部分，他們與新加坡理工大學(xué)（Singapore InsTItute of Technology， SIT）的計(jì)算機(jī)科學(xué)研究人員合作，在超級(jí)計(jì)算機(jī)上開發(fā)基于高保真仿真的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，同時(shí)也開發(fā)商業(yè)電腦能輕松應(yīng)用的工具。

為了構(gòu)建出可商業(yè)應(yīng)用的準(zhǔn)確工具，研究團(tuán)隊(duì)需要運(yùn)行計(jì)算密集型直接數(shù)值模擬（direct numerical simulaTIon， DNS），這只能利用高性能計(jì)算資源才能實(shí)現(xiàn)。斯圖加特高性能計(jì)算中心（High-Performance CompuTIng Center Stuttgart’s， HLRS’s）的Hazel Hen超級(jí)計(jì)算機(jī)完成了研究團(tuán)隊(duì)所需的高分辨率流體力學(xué)模擬。

發(fā)電機(jī)及其他工業(yè)流程通過多種材料來產(chǎn)生蒸汽或者進(jìn)行熱傳遞，但利用水是一種行之有效的方法——水可輕易獲得，其化學(xué)性質(zhì)已充分掌握，可預(yù)測(cè)其在各種溫度及壓力條件下的表現(xiàn)。具體而言，水預(yù)計(jì)在374攝氏度達(dá)到臨界點(diǎn)，這一性質(zhì)讓超臨界狀態(tài)蒸汽的產(chǎn)生可順利進(jìn)行。水也需要處于高壓狀態(tài)——22.4兆帕斯卡，實(shí)際上超過了廚房水槽處壓力的200倍。而且，當(dāng)材料進(jìn)入超臨界狀態(tài)時(shí)，它會(huì)表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)，溫度或壓力的微小改變都會(huì)帶來極大的影響。例如，超臨界狀態(tài)的水不如純液態(tài)水傳熱那么有效，達(dá)到超臨界狀態(tài)所需的極大熱量可能導(dǎo)致管道破壞，從而造成災(zāi)難性事故。

考慮到利用水的種種困難，研究人員正在研究使用二氧化碳。這種常見分子具有多種優(yōu)勢(shì)，主要特點(diǎn)是在31攝氏度即達(dá)到超臨界狀態(tài)，比水要高效得多。利用二氧化碳來讓發(fā)電廠變得更清潔，聽上去可能顯得自相矛盾，但研究人員解釋說超臨界狀態(tài)的二氧化碳是一種更清潔的選擇。

“與含氯氟烴的制冷劑、氨等其他常見的可用流體相比，超臨界狀態(tài)的二氧化碳絕不會(huì)破壞臭氧，對(duì)全球變暖幾乎沒有影響?！贝送?，這種狀態(tài)的二氧化碳所需空間要小得多，壓縮所需的工作也比超臨界狀態(tài)的水要少得多。這就意味著，使用二氧化碳所需的發(fā)電廠規(guī)模更小——超臨界狀態(tài)二氧化碳發(fā)電廠的發(fā)電循環(huán)硬件規(guī)模比傳統(tǒng)的超臨界狀態(tài)發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)要小十倍。但要用二氧化碳替代水，工程師還需要充分理解其根本性質(zhì)，包括流體的湍流（即不均勻非穩(wěn)定流動(dòng)）如何傳遞熱量、與機(jī)器相互作用。

在進(jìn)行湍流相關(guān)的計(jì)算流體力學(xué)模擬時(shí)，計(jì)算科學(xué)家大部分采用這三種方法：雷諾平均（Reynolds-Averaged Navier-Stokes， RANS）模擬、大渦模擬（large eddy simulations， LES）、直接數(shù)值模擬。雷諾平均和大渦模擬都需要研究人員納入來自實(shí)驗(yàn)或者其他模擬的一些假設(shè)，直接數(shù)值模擬無需預(yù)想概念或輸入數(shù)據(jù)，使得這種方法更準(zhǔn)確，但需要更多的計(jì)算資源。“雷諾平均和大渦模擬模型常用于更簡(jiǎn)單的流體。”研究人員說，“復(fù)雜流體需要高保真的方法，所以我們決定使用直接數(shù)值模擬，這讓我們需要高性能計(jì)算資源。”

研究團(tuán)隊(duì)與新加坡理工大學(xué)的科研人員合作，利用從高保真直接數(shù)值模擬得到壓力和熱傳遞數(shù)據(jù)來訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）。這種機(jī)器學(xué)習(xí)算法仿生物學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，即模仿識(shí)別和響應(yīng)外部刺激的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。

傳統(tǒng)上，研究人員利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以便其預(yù)測(cè)不同條件下流體和管道之間的熱傳遞。但是，如果采用這種方法，研究人員必須小心翼翼，不“過度擬合”模型；換言之，不讓算法對(duì)特定數(shù)據(jù)集過于準(zhǔn)確，而不能為其他數(shù)據(jù)集提供準(zhǔn)確結(jié)果。

利用Hazel Hen超級(jí)計(jì)算機(jī)，該研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)行了35個(gè)直接數(shù)值模擬，每一種聚焦于一種具體的運(yùn)行條件，然后利用得到的數(shù)據(jù)集來訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該研究團(tuán)隊(duì)輸入了進(jìn)氣溫度和壓力、熱流、管徑和流體的熱能，輸出管壁溫度和剪切應(yīng)力。直接數(shù)值模擬產(chǎn)生的數(shù)據(jù)中，隨機(jī)選擇80%來訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)研究人員利用剩下的20%來單獨(dú)驗(yàn)證。

這種“原位”驗(yàn)證很重要，避免過度擬合算法，因?yàn)槿绻惴ㄒ婚_始表現(xiàn)出訓(xùn)練與數(shù)據(jù)集的差異，就會(huì)重啟模擬。研究人員表示，“我們的盲法測(cè)試結(jié)果顯示，直接數(shù)值模擬成功避免了過度擬合，在數(shù)據(jù)庫(kù)中覆蓋的各種運(yùn)行條件下都實(shí)現(xiàn)了普遍的接受性?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)結(jié)果有信心之后，他們利用數(shù)據(jù)開始構(gòu)建更商業(yè)化用途的工具。利用近期工作的輸出作為指導(dǎo)，該團(tuán)隊(duì)可用直接數(shù)值模擬在標(biāo)準(zhǔn)筆記本電腦上對(duì)新數(shù)據(jù)模擬運(yùn)行條件的熱能，耗時(shí)僅5.4毫秒。

到目前為止，研究團(tuán)隊(duì)都使用社區(qū)代碼OpenFOAM進(jìn)行直接數(shù)值模擬。對(duì)多種流體力學(xué)模擬而言，OpenFOAM都是公認(rèn)的代碼，但是研究人員表示，希望利用高保真代碼進(jìn)行模擬。研究人員正與德國(guó)斯圖加特大學(xué)空氣力學(xué)與氣體力學(xué)研究所（Institute of Aerodynamics and Gas Dynamics， IAG）合作，使用后者的FLEX代碼。這種代碼的準(zhǔn)確性更高，適用的條件范圍更廣。

研究人員還提到，除了直接數(shù)值模擬之外，他們還使用了名為隱式大渦模擬的方法。雖然隱式大渦模擬不如該研究團(tuán)隊(duì)直接數(shù)值模擬得到高分辨率，但這種方法讓研究人員以更高的雷諾數(shù)值進(jìn)行模擬，這意味著它能適用的湍流條件更廣。

研究團(tuán)隊(duì)希望繼續(xù)增強(qiáng)它的數(shù)據(jù)庫(kù)，以便進(jìn)一步提升深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具。而且，研究團(tuán)隊(duì)還與該大學(xué)的核技術(shù)與能源系統(tǒng)研究所實(shí)驗(yàn)家合作，進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)，建立模型超臨界發(fā)電廠，以便測(cè)試實(shí)驗(yàn)與理論的一致性。如果研究團(tuán)隊(duì)能提供準(zhǔn)確、易用且計(jì)算高效的工具，幫助工程師和發(fā)電廠管理者更安全、更高效地發(fā)電，這就是最終勝利。

“核技術(shù)與能源系統(tǒng)研究所的研究人員既進(jìn)行實(shí)驗(yàn)也進(jìn)行數(shù)值模擬?！毖芯咳藛T表示，“作為數(shù)值團(tuán)隊(duì)，我們希望找到熱傳遞不高的原因。我們研究了流體流動(dòng)和湍流相關(guān)的物理學(xué)，但是我們的最終目標(biāo)是構(gòu)建出更簡(jiǎn)單的模型。傳統(tǒng)發(fā)電廠通過抵消間歇式發(fā)電，促進(jìn)可再生能源的使用，但是目前這些發(fā)電廠的設(shè)計(jì)都不如可再生能源發(fā)電廠那樣靈活。如果我們可以利用超臨界狀態(tài)二氧化碳為基礎(chǔ)的工作流體，我們就能通過更緊湊的設(shè)計(jì)、更快的開機(jī)和停機(jī)次數(shù)來提高發(fā)電廠的靈活性?！币猿R界狀態(tài)二氧化碳為基礎(chǔ)的技術(shù)有可能提供靈活的運(yùn)行，這是可再生能源中翹首以盼的。但是，水暖水力模型和熱傳遞知識(shí)有限，本研究將縮小這一技術(shù)差距，幫助工程師構(gòu)建發(fā)電循環(huán)回路。

該大學(xué)核技術(shù)與能源系統(tǒng)研究所和航天熱力學(xué)研究所的科研人員正在研究超臨界狀態(tài)二氧化碳取代超臨界狀態(tài)水作為發(fā)電廠的工作流體。這一模擬顯示了冷卻過程中流體的高速（紅）和低速（藍(lán)）條帶及結(jié)構(gòu)。研究人員觀察到了超臨界狀態(tài)二氧化碳下行流（左）和上行流（右）湍流之間的重要區(qū)別。