国家数值风洞风雷软件分布式粗糙壁面边界层流动模拟

针对粗糙元均匀分布壁面,基于国家数值风洞风雷软件,在k-ωSST湍流模型和γ-Re_(θt)转捩模型中分别引入粗糙壁面边界条件修正及粗糙壁面转捩动量厚度雷诺数,同时增加了部分粗糙表面设置,实现了局部/全局粗糙壁面边界层流动模拟能力。算例研究表明,对于全湍状态翼型,粗糙壁面导致失速攻角减小4°,1×10^(-3)倍弦长量级的等效粗糙元高度使最大升力系数下降约36%。同时粗糙壁面会使边界层转捩提前,导致翼型的摩擦阻力增大。计算分析证明,Hellsten等提出的粗糙壁面比耗散率边界条件能够较准确地反映粗糙度造成的影响,气动力计算结果与实验值基本吻合,流场模拟结果符合粗糙壁面流动特征;同时能够保证与转捩模型及其粗糙壁面修正的稳定耦合计算,对于转捩位置及其随粗糙度和来流湍流度变化趋势的模拟结果符合实验结果,但转捩区长度还需通过更严谨的实验进行进一步验证和修正。

国家数值风洞风雷软件结构/非结构混合网格同构计算特性

传统计算流体力学(CFD)结构与非结构网格在网格生成难度、近壁区网格质量、远场网格密度等方面均具有互补性,若能够将两者结合构造“结构/非结构混合网格”,便可充分发挥不同网格类型的优势。基于国家数值风洞风雷软件的任意网格“同构混合计算”框架,采用RAE2822翼型和ONERA M6机翼标模算例,以日常生成习惯并保证网格规模相近的情况下,构造了结构、非结构以及结构/非结构混合网格,对比分析了不同类型网格的求解特性。初步研究结果表明,对于跨声速激波弱分离流动问题,采用风雷软件求解结构/非结构混合网格能够得到与实验数据吻合较好的计算结果,同时收敛性和计算效率较纯结构和非结构网格也更好。但结构-非结构计算域交界面处存在变量的不连续,近壁区结构网格的层数会对计算结果产生明显影响,只有保证足够的结构网格覆盖范围以及较好的过渡性才能保证近壁区求解精度。此外,根据计算经验提出了结构/非结构混合网格的生成策略和调用风雷软件进行计算的应用指南,能够为风雷软件工程应用提供参考。

国家数值风洞(NNW)通用软件同构混合求解器设计

针对未来复杂计算流体力学模拟的需求,在国家数值风洞“风雷(PHengLEI)”软件中,针对流场求解器设计了区域混合计算策略,即在不同类型的网格上运行不同的求解器,实现区域混合模拟,采用典型算例进行了验证。与传统多求解器松耦合的“异构”模式不同,风雷软件中设计了“同构”模式的混合求解器。“同构”模式的混合求解器基本思想是:计算域由不同类型网格组成,在不同类型的网格上可运行不同类型的求解器,不同求解器之间在交界面通过数据底层交换信息,其特点是“紧耦合”。区域混合计算能够充分发挥不同类型网格、不同求解器的优点,未来也可以在不同的网格区域上加载不同学科的求解器,是面向未来多学科、多方法、多区域紧耦合模拟的关键技术。作为一种典型的混合求解方案,结构/非结构混合求解时,在结构网格上运行二阶/高阶精度结构求解器,在非结构网格上运行二阶精度非结构求解器,以实现在关键流动区域采用高质量网格、高精度方法的工程实用化目的。首先介绍混合计算所涉及的域、交界面等基本概念,然后设计混合计算所需的数据结构,以及混合计算策略。最后,通过高超声速圆柱绕流和双椭球绕流两个案例,在结构网格上运行二阶或WCNS高阶精度求解器,在非结构网格上运行二阶精度非结构求解器,验证“同构”混合计算的可行性和有效性。

基于指标体系的数值风洞软件可信度评价技术研究

高精度、高效率和高可信属性是对数值风洞的共性和基础性技术需求。在“国家数值风洞”(NNW)工程支持下,瞄准为验证和确认分系统提供技术支撑,提出重点发展基于指标体系的软件可信度评价技术。基本策略是:针对数值风洞工程研制的常规定常气动力/热软件和非定常类型(含多体分离、动态特性)软件,从软件生命周期不同用户(含软件开发者、评价第三方和工业应用部门)所关心的主要可信度问题出发,研究建立可对软件功能、基本流动模拟能力及工程应用能力进行综合评价的CFD软件可信度指标评价体系,提出具体的评价方法和评价算例,建立验证确认算例库。对基于指标体系的数值风洞软件可信度评价技术的具体实施思路及问题的复杂性进行论述,报道取得的阶段性成果,指出下一步工作重点和方向。

基于风雷软件的可压缩气固颗粒两相流计算

为了实现流体颗粒的双向耦合,在国家数值风洞风雷软件开源框架中设计开发了基于点力模型的紧耦合颗粒求解器,同时在流体求解器部分增加了颗粒源项,并在此基础上分析了可压缩流动中的颗粒调制规律。首先,主要介绍了颗粒求解器中涉及的颗粒受力模型、求解方法、边界条件、流动信息插值方法等。其次,基于对经典泊肃叶流动中颗粒运动轨迹、平板边界层中颗粒运动及其对流动影响的算例文献和理论,对所开发代码进行了检验,结果证明了颗粒求解器对两相流模拟的能力。最后,开展可压缩平板层流边界层中颗粒-流动相互作用的初步研究,发现在模拟的参数条件下,颗粒的存在将增加边界层摩阻和热流,降低边界层厚度,颗粒本身沿程逐渐向壁面累积。

风雷(PHengLEI)通用CFD软件设计

风雷软件(PHengLEI)是由中国空气动力研究与发展中心开发的,具有完全自主知识产权的计算流体力学CFD软件平台,已在国内广泛推广使用。作为当前实施的国家数值风洞系统的重要组成部分,正在集成包括直升机旋翼、飞机结冰、风工程、化学反应与燃烧、虚拟飞行、结构/非结构高精度等学科物理模型。针对多学科、多物理模型集成开发的需求,为了适应下一代高性能计算机硬件,在已有工作基础上,进一步设计了面向下一代高性能计算的PHengLEI软件体系结构和数据结构。

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。

基于FlowStar软件的栅格舵气动特性模拟

栅格舵是由外部边框和内部若干薄栅格组成的一种新型气动力面和控制面。由于其具有尺寸小、重量轻和易折叠等结构特点,以及升力特性好、铰链力矩小和压心位置随马赫数变化小等良好的气动性能,越来越受到重视和广泛应用。但是,由于栅格舵是特殊的蜂窝结构,常规的结构网格生成困难,并且栅格壁之间存在严重的波系干扰,流场结构复杂,给数值模拟带来了挑战。本文针对栅格舵流场结构复杂、网格生成和数值模拟难度大的难题,采用国家数值风洞工程(NNW)项目团队自主开发的非结构混合网格流场软件FlowStar,对栅格舵气动特性开展了数值模拟研究。首先,通过十字栅格舵全弹标模外形,验证了数值模拟方法的可靠性。然后,通过研究栅格不同形状对栅格舵气动特性的影响规律,给出了栅格舵设计时尽量采用气动性能较高和结构强度较好的菱形栅格,以及尽可能少用或不用正三角形栅格的指导建议。最后,开展了类Space X迎风面局部弧形栅格舵气动特性模拟研究,结果表明,弧形后掠可以有效降低阻力,提高升阻比;攻角为0°时,与平直栅格舵相比,弧形后掠栅格舵在亚跨声速阶段,阻力降低约8%,马赫数大于2时,阻力降低约15%。本文研究可为栅格舵的设计提供参考和指导。

国家数值风洞(NNW)工程关键技术研究进展

随着高性能计算机和计算流体力学(CFD)的飞速发展,20世纪80年代末日本率先提出了数值风洞的概念.美国进一步发展了数值风洞的概念,认为数值风洞是流体力学、数学、计算机科学和航空工程交叉融合的产物,并在航空航天飞行器研制中发挥着越来越重要的作用.2018年,我国启动了"国家数值风洞(NNW)"工程项目,旨在联合全国优势力量,发挥集群优势,开展协同攻关,自主研发功能先进、种类齐全的CFD软件系统,研制国际先进的CFD专用高性能计算机,建成拥有我国自主知识产权、国内开放共享的空气动力数值模拟平台.本文介绍了NNW工程的系统构成和主要目标,总结了国家数值风洞软件框架、并行技术、网格生成、可视化技术、验证与确认、算法与模型等相关研究进展,展望了工程下一步的技术发展思路.

风雷软件LES开发设计与验证

基于国家数值风洞风雷软件开源框架,设计开发了LES(Large Eddy Simulation)湍流模型,主要包括Fourier谱/有限差分方法 LES求解器和有限体积/有限差分方法 LES求解器。简要介绍了采用的不可压缩流动求解的投影法、Fourier谱/有限差分混合方法、亚格子模型等理论方法,给出设计的软件框架和计算流程,尤其说明采用的松/紧2种耦合模式。通过数值模拟不可压缩槽道湍流、亚临界雷诺数圆柱绕流、NACA0012临界攻角的低频振荡算例,验证求解器的计算精度和复杂湍流模拟能力。基于风雷开源框架设计的开源LES模型,具备高精度数值格式、亚格子模型、湍流统计等通用模块,可为国内学者提供一个LES湍流模拟研究的开放平台。

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。

LENS风洞试验返回器模型气动热特性模拟

国家数值风洞高超声速流动模拟软件HyFLOW的研制对打破国外同类软件的技术壁垒具有重要意义。与国外DPLR软件进行了对比研究,同时系统介绍了HyFLOW软件求解器的数值方法、物理化学模型以及壁面催化特性计算模型等主要方法,采用典型算例对有限催化模型进行了数值验证,最后基于LENS风洞试验146 mm返回器标模外形开展了高超声速气动热特性数值模拟。研究结果表明,HyFLOW软件在高超声速热化学非平衡流动模拟与评估方面的气动力计算精度高,与国外同类软件DPLR相当,同时其壁面催化条件下的气动热计算精度可靠,可信度高。

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。