FlowStar:国家数值风洞(NNW)工程非结构通用CFD软件

计算流体力学（CFD）仿真软件是流体相关的数学物理知识和工程实践经验的数字化表达,是工业数字化转型的重要助推。然而,大型工业CFD软件研发难度极高,需要同时兼顾功能多样、系统稳定、性能优越、交互友好等特征。依托国家数值风洞（NNW）工程,研发出一款通用流场模拟软件NNW-FlowStar,并在航空、航天等工业部门大力推广使用。软件基于非结构有限体积求解方法和大规模并行计算技术开发,结合现代化软件工程思维设计,具备先进的数值方法、高效的计算效率和友好的用户操作界面,可满足各类复杂外形的高效气动模拟。独特的重叠网格技术配合六自由度运动模块,可帮助实现武器分离、舱门定轴转动等各类气动-运动协同仿真需求。多类标模案例和复杂工程应用表明,FlowStar软件算法鲁棒、精度可靠,是一款高精度、高效率、高可靠性的通用CFD仿真软件。通过对软件的架构设计和功能应用进行介绍,使相关从业人员能更好地了解FlowStar软件,最终促进国产自主CFD软件生态的良性发展。     

国家数值风洞(NNW)工程在高超声速中的应用研究进展

随着CFD技术的快速发展,CFD数值模拟软件在飞行器研制中得到广泛应用,并已渗透航空航天等诸多领域的各个阶段,发挥着越来越重要的作用。国家数值风洞（NNW）工程坚持边建边用的原则,通过集成结构力学、飞行力学、工程热力学、声学、光学、电磁学、多相流体力学等学科软件,在航空航天、交通运输、能源动力、环保减灾等领域发挥了积极作用。总结了NNW软件在高超声速飞行器边界层转捩、湍流、高精度方法等领域的应用成果以及在解决复杂流动干扰、动态稳定性和多学科耦合问题上的最新进展。通过案例展示,使相关从业人员了解NNW软件的功能、特点,促进系列软件在全国的推广和应用。     

NNW-HyFLOW高超声速流动模拟软件框架设计

NNW-HyFLOW在国家数值风洞（NNW）工程支持下,由风雷开源软件提供基础框架支撑,将建设成为基于结构/非结构混合网格,面向高超声速应用领域的国产自主工业CFD软件,具备高温气体热化学非平衡效应模拟及其相关气动力、气动热和气动物理特性计算分析等主要特色功能。本文从框架设计、数据结构、耦合方法、并行计算方法以及接口设计等方面对软件设计思想和框架特点进行了介绍,给出了求解器采用的理论模型、核心数值算法及其实现方法,结合HEG风洞试验、RAM-C飞行试验、Electre飞行试验以及航天飞机OV102飞行试验等典型算例开展了数值模拟。研究表明：NNW-HyFLOW具有底层代码复用、功能兼容性好、扩展能力强和接口灵活等优点,其当前测试版本已经具备了较好的高超声速非平衡流动数值模拟能力,在热化学非平衡效应及其影响的气动力特性、气动热环境和等离子体分布特性预测与评估方面,具有较高的数值计算精准度,初步满足了高超声速复杂飞行器高温非平衡流动数值模拟的需求。     

基于两步优化策略的结构网格负载平衡

国家数值风洞（NNW）工程旨在发展完全自主知识产权的计算流体力学（CFD）软件,结构网格负载平衡问题研究是该工程中的一个重要组成部分。本文发展了两步优化策略以求解结构化网格的负载平衡问题。第1步优化采用传统的贪婪算法,完成对大块网格的剖分和以进程计算时间为指标的网格块分配;第2步采用遗传算法（GA）,目标函数兼顾进程计算时间和通信时间,在第1步优化结果的基础上,对网格块在进程上的分配开展二次优化。为准确计算GA的目标函数,构建了一套计算时间和通信时间的建模方法,包括样本生成、模型建立和模型验证,整体方法具有一定的通用性。根据负载平衡问题以及两步优化策略的特点,对GA的编码、交叉、变异和种群初始化进行了研究,详细分析了交叉操作的递归问题及解决方法。算例验证说明建立的进程计算时间和通信时间模型具有较高的计算精度,能够用于GA的目标函数计算;两步优化策略能够在第1步优化的基础上进一步改善优化结果,从而减少CFD问题的整体计算时间,对于计算量巨大的工程问题具有较大的实用价值。     

NNW-TopViz流场可视分析系统

流场可视化技术采用图形图像直观地表现CFD数值模拟的计算结果,使用户能够方便地对这些数据进行分析、比较和研究。然而,CFD数值模拟的流动复杂,其产生的流场数据规模巨大、数据类型复杂、特征提取困难,传统的串行可视化软件效率低、交互手段单一,难以满足数据分析的需求。国家数值风洞（NNW）工程研制了一套流场数据处理可视化软件系统（NNW-TopViz,简称TopViz）,具有对流场数据处理与特征提取、几何图形绘制等可视化与交互功能。根据可视分析效率需求,TopViz实现了线程并行,在多核计算环境下有效提高了可视化计算和交互效率;针对流场特征提取困难、常规方法效率低的问题,TopViz实现了基于卷积神经网络的流场旋涡特征提取方法,提升了特征提取准确率和效率;为提高软件交互效率并提供便捷的交互方式和体验,基于头戴式显示设备和体感控制器构建沉浸式虚拟显示与交互平台,TopViz实现了手势和眼球凝视2种交互方法,提供沉浸式环境下多视图、多角度流场探测方式。     

基于TLBM-FVM耦合的飞行器舱内热环境跨尺度预测方法

舱内热环境的有效预测是优化飞行器热控与防热设计、减小系统冗余并保障飞行器热安全的重要基础。在国家数值风洞（NNW）工程支持下,针对目前舱内热环境多尺度、多机制复合传热特点及其数值预测面临的精度与效率提升难题,发展了多区域协同推进的时空耦合模型及流/固界面的自适应分辨率识别算法,建立了基于热格子Boltzmann方法（TLBM）与有限体积法（FVM）相互耦合的舱内复合传热跨尺度预测方法,开展了典型飞行器仪器舱的综合热分析,验证了耦合方法的计算精度及效率。研究表明,相关方法可实现舱内热环境的局部精细化与整体大规模的协同模拟,用于开展整体自然对流与设备局部热量传递的多尺度数值模拟,掌握不同环境参数对舱内热质传递过程的影响规律,从而为飞行器热防护/热管理一体化设计提供重要技术支撑。     

高超声速化学非平衡流动Navier-Stokes/DSMC耦合算法

基于相同的化学反应模型,在已有计算流体力学（CFD）和直接仿真蒙特卡罗（DSMC）方法及程序的基础上,采用Modular Particle-Continuum（MPC）耦合技术,建立了包含化学非平衡Navier-Stokes/DSMC耦合算法。算法结构中DSMC计算区域在CFD计算结果上根据当地克努森数自动选取。发展了适用于流场分区信息交换的亚松弛技术,抑制DSMC方法对CFD计算的影响。把DSMC方法和CFD的应用范围拓展到过渡流区,为复杂飞行器近连续过渡流区高超声速化学非平衡流动数值模拟研究提供了一种工程适用的预测分析手段。通过对二维圆柱高超声速化学非平衡绕流的算例与其他结果的比较研究,表明耦合算法不论在流场结构、流场非平衡现象,还是飞行器表面参数、整体气动力/热特性方面,都能够得到与全DSMC计算吻合的结果,证实了所建立的Navier-Stokes/DSMC耦合计算模型与方法的有效性和可靠性。仿真了某航天器解体碎片在过渡区的化学非平衡流动,得到碎片在过渡区的气动力/热特性,为碎片的陨落计算提供依据。     

高马赫数层流摩阻数值计算精度

飞行器在高空高速飞行时黏性效应显著,摩阻预示精度对飞行器的关键气动性能意义重大。目前,摩阻预示主要依赖数值计算,但高马赫数层流摩擦阻力计算与试验测量结果仍存在差距。以具有高速飞行器典型部件特征的球锥、三角翼为对象,结合风洞试验摩阻测量结果,使用国家数值风洞（NNW）数值计算软件和自研CFD程序研究了数值计算中影响摩阻计算精度的格式数值耗散及壁面温度边界条件等重要因素。研究结果表明：数值耗散越小,表面摩阻的计算精度越高;在速度较低的边界层近壁区内关闭熵修正,将有助于提高表面摩阻的预示精度。此外,在高马赫数流动问题的数值模拟中,壁面温度条件对表面摩阻计算同样具有重要影响。最后,基于分析结果和工程需要提出了对高精度摩阻数值预示的研究需求。     

机翼积冰数值模拟

采用计算流体力学（CFD）方法对三段翼和MS-317后掠翼进行了积冰数值模拟研究,基于欧拉两相流理论,应用分区算法,对空气流场和水滴流场进行了数值求解,得到水滴收集率.求解3-D积冰模型得到积冰量.将MS-317的冰形计算结果与实验数据以及软件LEWICE3D的计算结果进行了对比.结果显示:三维积冰模型具有较好的精度,虽然预测的冰形与实验数据有一些差异,最大厚度方面,误差在13.1%以内,但是积冰的类型与体积和实验数据基本一致.      

CFD在我国城市风热环境中的研究与应用

城市风热环境研究对于城市可持续发展、居民健康和气候变化适应性都具有重要意义。随着高性能计算能力的不断提升和数值模拟方法的改进,计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）已经广泛应用于城市风热环境预测。本文概括性地总结了城市风热环境实验研究和CFD研究的进展,包括典型的实验研究方法、CFD数值模型、模型验证等,并重点从建筑形态布局、植被、水体以及冷性材料4个方面对CFD应用研究成果进行归纳总结,最后从多季节、多尺度、精细化模拟以及多因素耦合等角度对未来城市风热环境CFD模拟研究进行了展望,并提出了参考建议。     

High-enthalpy hypersonic project at ONERA

This article deals with the research performed in the framework of the internal ONERA Hyperenthalpic Hypersonic Project. This project involved fifteen researchers specialised in different domains, which are the following: fundamental studies on shock/wave and shock/boundary layers interactions; study of the laminar/turbulent transition; real gas effects and associated physical modelling; the development of non-intrusive optical diagnostic methods usable in cold and hot wind tunnels; flow rebuilding in a hot shot wind tunnel such as F4; conception, realisation and validation of computational fluid dynamics (CFD) solvers.     

构建非结构网格高精度有限体积方法的新途径

综述了笔者所在研究团队在发展非结构网格紧致模板高精度有限体积方法方面的研究进展。非结构网格二阶精度有限体积方法在各类商用和自研计算流体力学（CFD）软件中得到了广泛应用。当进一步提高精度时,遇到的主要困难是高阶有限体积方法重构模板过大的问题。这已成为发展非结构网格高精度有限体积方法的主要技术瓶颈之一。近年来,为解决此问题开展了系统研究。基于首先提出的操作紧致性概念,先后提出了3种紧致模板高精度重构方法,包括紧致最小二乘重构、变分重构和多步重构。这些重构方法的共同特点是可在只包含面相邻单元的紧致模板上实施,并达到任意高阶精度。综述了这3种方法,对这些方法的构造思路、实施策略和进一步发展做了概要的阐述。其中变分重构方法将作为非结构网格高精度有限体积方法的方案之一,在国家数值风洞（NNW）工程中得到发展及应用。     

亚跨超CFD软件平台中的网格生成技术

在亚跨超ＣＦＤ软件平台中,提供了一个网格生成平台。利用它,可以快速生成常规兵器、常规导弹和正常布局的常规战斗机的计算网格。有多种拓扑结构和多种方法可供选择。结果表明,生成的网格实用,质量令人满意。气动特性的计算结果也是可靠的。     

基于人工神经网络的可压缩湍流大涡模拟模型

在国家数值风洞（NNW）工程项目的指导下，空间人工神经网络（SANN）模型被用于强可压缩湍流大涡模拟（LES）研究，其中流场的湍流马赫数分别为0.6、0.8、1.0。基于湍流的多尺度空间结构特性和人工神经网络方法发展的高精度空间神经网络（SANN）模型适用于不可压缩湍流和弱可压缩湍流。对于强可压缩湍流，流场中会出现激波结构，给大涡模拟带来了挑战。本文的研究结果表明：SANN模型适用于强可压缩湍流的大涡模拟。在先验分析中，SANN模型预测的亚格子应力和亚格子热流的相关系数超过0.995，远远高于梯度模型和近似反卷积模型等传统模型；传统模型的相对误差大于30%，而SANN模型在这方面有很大的改进，相对误差低于11%。在后验分析中，与隐式大涡模拟（ILES）、动态Smagorinsky模型（DSM）、动态混合模型（DMM）相比，SANN模型能更精确地预测能谱、各类湍流统计特性以及瞬态流动结构。因此，基于湍流多尺度空间结构特性的人工神经网络模型加深了人们对强可压缩湍流亚格子建模的认识，同时可以服务于NNW工程的流体力学模型构造。     

高性能流场并行粒子追踪数据管理系统

随着当下计算能力和存储性能的提升,流场数据产出的规模越来越庞大,针对流场数据的可视化应用对于硬件及软件算法的要求也随之提高。基于国家数值风洞（NNW）工程支持,主导设计并开发了高性能流场并行粒子追踪数据管理系统,帮助用户探索和分析大规模流场数据。该系统针对流场数据提供多种高效的数据管理方法,在超算集群上针对并行粒子追踪过程进行了数据预取优化与负载均衡优化。对于粒子追踪过程中产生的流线（或迹线）及进程工作记录数据,该系统支持用户在本地平台上进行性能诊断和分析。使用不同流场数据集开展的两个应用实例验证了该系统的有效性。