基于Boltzmann模型方程各流域三维复杂绕流问题统一算法研究

通过探索可描述各流域气体输运现象的Boltzmann简化速度分布函数方程理论及其数值计算方法,发展可用于不同流区复杂多尺度绕流问题的气体运动论离散速度坐标法,应用拓展计算流体力学有限差分方法与DSMC解耦技术,建立直接求解分子速度分布函数的气体运动论耦合迭代数值格式;研究可用于高、低不同马赫数绕流问题新型的Gauss型离散速度数值积分方法,确定物理空间各点的宏观流动参数,建立起稀薄流到连续流各流域三维复杂绕流问题气体运动论数值计算方法.通过研究气体运动论数值算法并行方案,开展HPF(高性能FORTRAN)并行化程序设计及算法考验,以各流域三维球体及复杂外形体多尺度绕流问题为研究对象进行HPF并行计算,将计算结果与有关实验数据、理论预测分析比较.研究表明,我们的气体运动论数值算法能可靠揭示来自不同流区飞行器复杂绕流现象、规律,可望建立基于Boltzmann模型方程数值求解,能有效模拟各流域三维复杂气动力、热问题统一算法研究方向.

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。

基于迎风格式的双曲型网格生成方法

双曲型网格生成方法是一种十分适合于重叠网格方法应用的网格生成方法。为了避免双曲型方程将初始外形的不光滑性继续向外传播,本文采用了自动隐含数值耗散项的迎风格式进行数值离散。在法向推进方向,采用了隐式格式,使得网格推进步长的大小不受稳定性条件的限制。对实际应用中可能出现的边界条件进行了分类和处理。几个典型外形网格生成的质量是令人满意的,说明本文方法是成功的。

飞机气动力大规模并行模拟研究

计算流体力学在航空航天领域正发挥着越来越重要的作用,但传统串行计算和小规模并行计算由于其规模和速度的限制,计算精度和计算效率难以满足实际工程要求。在超级计算机上应用计算流体力学软件CFD++,依次对串列双圆柱、30P30N高升力多段翼和翼身组合体的气动力进行大规模并行模拟,输出各种气动条件下的表面压力系数、升力系数和阻力系数,并将模拟结果与实验结果相比较。对比结果显示模拟结果与实验结果相符合,准确地模拟了各类复杂流动,可以对大规模高性能计算进行性能评估,获得较好的并行效率和加速比。