变分量子线性求解算法在高速飞行器定常绕流数值模拟中的应用

CFD方法在用于三维大规模复杂流动的空气动力学数值模拟时,面临着计算成本高、模拟时间长等瓶颈问题。近年来,量子计算为航空航天CFD领域带来了新的解决思路,通过利用量子比特的叠加态和纠缠特性,理论上相比于经典计算机能够实现对数级的存储缩减和指数级的效率加速,在处理大规模空气动力学模拟等任务上具有巨大的潜力。聚焦于量子计算技术在航空航天CFD领域的应用探索,针对高速定常流动问题,采用变分量子线性求解器(variational quantum linear solver,VQLS)辅助求解CFD时间离散环节得到的高维线性方程组,进而发展了可以在含噪声中等规模量子(noisy intermediate-scale quantum,NISQ)器件上实现的VQLS-CFD耦合方法。通过三维双椭球模型和探测器火星科学实验室模型的超声速数值模拟测试,验证了VQLS-CFD耦合方法可以实现大规模复杂流动的鲁棒及准确模拟,并产生与试验数据吻合度较高的计算结果,最终获得高可信度的气动预测结果。然而,介绍的量子计算流体力学(quantum computational fluid dynamics,QCFD)方法在计算效率方面尚未达到真正意义上的加速效果,这一现象的突破将依赖量子计算机硬件的持续发展与QCFD算法的不断优化与成熟。

低速矩形射流近场压力结构大涡模拟研究

采用大涡模拟方法对宽高比为1.375、马赫数为0.2888的低速开放矩形射流进行了数值模拟,通过监测点压力信号的频谱信息与动力学模态分解(DMD)对近场压力脉动特性进行了分析。当矩形射流基于远场声速与喷管高度的雷诺数Re=5×10^(4)时,频谱分析结果表明近场压力脉动的主要频率处于5~10Hz,其主要与射流剪切层中剪切层Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性和涡的非线性相互作用有关。DMD结果表明,低频压力脉动主要的空间相干结构呈沿流向分布且流向尺寸与喷管高度处于同一量级的环状结构。此外,分别对相同雷诺数的平板射流与相同宽高比下Re=5×10^(5)的矩形射流进行了数值模拟,进一步研究了矩形喷管宽高比和雷诺数对近场压力脉动的影响。研究发现,雷诺数的增加对射流近场的压力脉动频率分布影响较小,但平板射流中小于5Hz的低频成分相对更多,这是因为剪切层失稳过程相干性更强。不同雷诺数下矩形射流近场的压力脉动空间结构基本相同,近场的低频压力脉动为无黏机制主导。低频压力脉动易与风洞中的结构设备产生共振,对试验测量也有不利影响,了解射流的近场压力脉动特征对风洞的设计具有一定的参考价值。