通過空氣動力學數值模擬軟件，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（俗稱“超算”）飛機設計虛擬世界里的匠人精神。

挖掘超算潛能，實現飛機設計過程的精準“摸脈”

“任何一個環節的低精度數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，高精度數值模擬意味著市場；對于軍機來說，高精度數值模擬則意味著戰斗力。

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計劃高性能計算專項“數值飛行器原型系統開發”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格的密度來衡量，國際專業機構的數據顯示，2016年模擬翼身組合體構型的網格規模為2500萬左右，而2003年的這一數值僅為390萬。王運濤說，“目前，巡航構型（增升裝置收起的狀態）采用的網格規模為數千萬，通過項目的推進，計算飛行器的網格規模將達到100億。”

飛機構型的表面網格示意圖形似在飛機表面覆蓋上了一張巨大的漁網，空間網格示意圖形似將飛機埋到了一個巨型的米倉，只是其上的網格比肉眼可見的“網眼”“米粒”密集數百倍。5%—10%，是目前高性能計算應用程序的持續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，卻沒有相當的功力去使用。此前我國憑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‘超算’價值的下一個領域，也是推動超算發展的最大推動力之一。”王運濤介紹，數值飛行器項目將緊密結合異構計算機體系結構特點，實現百萬處理器核的大規模異構并行計算，充分挖掘國產異構大規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，依據初始目標數據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，數值模擬技術更快速、更經濟，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雅姿態只是表象。飛機本體卻正在經受呼嘯的風阻、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上，有效的數值模擬將通過高效、高質量的數模處理及網格生成技術，高效、高精度的控制方程組離散求解技術，數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出具有完全自主知識產權的數值飛行器原型系統。”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）

標簽：