通過空氣動力學數(shù)值模擬軟件,人們可以計算出一架還在“腦中”的飛行器機翼受力如何、單個部件增加了多大噪音,甚至飛機上各個點上的壓力多少……6月15日,中國空氣動力研究與發(fā)展中心研究員王運濤接受科技日報記者專訪,講述了基于高性能計算集群系統(tǒng)(俗稱“超算”)飛機設計虛擬世界里的匠人精神。
挖掘超算潛能,實現(xiàn)飛機設計過程的精準“摸脈”
“任何一個環(huán)節(jié)的低精度數(shù)值模擬都可能導致飛行器性能一降再降、研制費用一升再升、研制周期一拖再拖。反過來,模擬精度越高,越可能快速設計出高性能的飛機。”對于民機來說,高精度數(shù)值模擬意味著市場;對于軍機來說,高精度數(shù)值模擬則意味著戰(zhàn)斗力。
自2016年7月立項以來,王運濤擔任項目負責人的國家重點研發(fā)計劃高性能計算專項“數(shù)值飛行器原型系統(tǒng)開發(fā)”項目目標明確——要將飛行器的模擬精度提升百倍。
精度一定程度上可從虛擬模型計算網(wǎng)格的密度來衡量,國際專業(yè)機構的數(shù)據(jù)顯示,2016年模擬翼身組合體構型的網(wǎng)格規(guī)模為2500萬左右,而2003年的這一數(shù)值僅為390萬。王運濤說,“目前,巡航構型(增升裝置收起的狀態(tài))采用的網(wǎng)格規(guī)模為數(shù)千萬,通過項目的推進,計算飛行器的網(wǎng)格規(guī)模將達到100億。”
飛機構型的表面網(wǎng)格示意圖形似在飛機表面覆蓋上了一張巨大的漁網(wǎng),空間網(wǎng)格示意圖形似將飛機埋到了一個巨型的米倉,只是其上的網(wǎng)格比肉眼可見的“網(wǎng)眼”“米粒”密集數(shù)百倍。5%—10%,是目前高性能計算應用程序的持續(xù)性能通常能達到機器峰值性能的百分比。這就好比有了重磅的武器,卻沒有相當?shù)墓αθナ褂谩4饲拔覈鴳{借在超級計算機上進行氣象模擬和地震模擬獲得了“戈登·貝爾獎”,意味著在氣象和地震領域“武器”和“功力”基本匹配。
“飛行器虛擬設計將是實現(xiàn)‘超算’價值的下一個領域,也是推動超算發(fā)展的最大推動力之一。”王運濤介紹,數(shù)值飛行器項目將緊密結合異構計算機體系結構特點,實現(xiàn)百萬處理器核的大規(guī)模異構并行計算,充分挖掘國產(chǎn)異構大規(guī)模并行計算機的潛能。
精益求精,計算出“鋼鐵俠”的彈性變形
讓幾十噸重的龐然大物在空中飛行,設計該從哪里開始?
“巡航速度是多少、起飛重量是多少、航程是多少……飛機設計開始于設計目標的確定。”王運濤解釋,以氣動外形設計為例,依據(jù)初始目標數(shù)據(jù)給出飛行器外形設計方案,然而這一方案能不能達到目標要求呢?
“不可能每設計一次都做一個縮比模型試飛,成本高不說,比如細小的部件,如果縮小就變成一個點,難以反映真實情況。”王運濤說,與風洞試驗、模型自由飛相比,數(shù)值模擬技術更快速、更經(jīng)濟,并且可開展多學科耦合的復雜動力學分析。
上升、俯沖、旋轉、搖擺,飛機在萬米高空的優(yōu)雅姿態(tài)只是表象。飛機本體卻正在經(jīng)受呼嘯的風阻、凜冽的氣旋、拖墜的自重等因素的考驗。“在精準的模擬中,飛機并不是我們想象那樣堅硬,而是有彈性變形的。”王運濤說,尤其隨著機體輕量化的要求,機體的材質更趨向采用復合材料,在剛性和韌性間尋找平衡。
傳統(tǒng)的飛機初步設計并不會考慮這樣微小的變形,因為包含類似變量的模擬計算量實在太大了,在過去是難以想象的。但是對于產(chǎn)品來說,“毫厘之失”有著難以想象的放大效應。“例如,噪音水平可能因為局部微小變化而成倍放大,不達標的飛機將難以打開國際市場。”王運濤說。為此,在高性能計算機集群系統(tǒng)上,有效的數(shù)值模擬將通過高效、高質量的數(shù)模處理及網(wǎng)格生成技術,高效、高精度的控制方程組離散求解技術,數(shù)值模擬結果的驗證與確認等,“全生命周期”地指引所設計飛行器的性能指標滿足飛行器的預期性能指標。
“目前,我國的飛機設計還主要依賴于國外軟件,項目的順利實施將研發(fā)出具有完全自主知識產(chǎn)權的數(shù)值飛行器原型系統(tǒng)。”王運濤說,項目成果可以直接應用于我國在研的大型客機、先進戰(zhàn)斗機等,大幅度提升我國自主研制飛行器的精細化設計水平。(記者張佳星)
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