文摘

摘要最近的一些努力在中国可信计算流体动力学(CFD)模拟进行了综述。后最重要的工作是,类似的活动在西方如ECARP张仁和阻力预测研讨会,一系列的研讨会上可信的CFD模拟已经启动。这些研讨会和野心来评估CFD在中国的地位。另一个主要工作是一个持续的项目建立一个软件平台,研究CFD解决方案和执行可靠的CFD模拟的可信度。平台,名叫WiseCFD,旨在实现无缝CFD和规避乏味重复的手工操作过程。它也被一个强大的作业管理器CFD的功能来支持即插即用(PnP)解算器集成以及分布式和并行计算。将来工作WiseCFD提出,也设想是WiseCFD和欧洲QNET-CFD知识库可以相互受益。

1。介绍

在过去的几十年,计算流体动力学(CFD)经历了一个强大的开发,已成为一个强大的工具为流体动力学现象的分析和理解,和飞机的设计和优化的空气动力学性能或航天车辆。这进展可能出现,与此同时,越来越快的超级计算机与增加记忆功能,和现代数值计算技术的快速发展。然而,CFD的局限性需要解决由于缺乏知识的物理现象和适当的物理建模以及有限的实验信息。此外,CFD强烈影响使用的数值方法(例如,几何建模、空间离散化方案,精度计算时间,等等)和计算机资源。因此,数值解的可信度的问题自然是建议。换句话说,使数值模拟可行,关键阶段是执行仿真的可信度分析,其主要目标是评估和消除不确定性计算。张仁的权威指导,1998年,CFD的基本活动验证和确认(v和v) [1]。

在发达国家,活动相关的CFD分析早期开始的信誉,和广泛的关注,尤其是,他们已经把许多特殊项目和研讨会的目的开发大型数据库的数值解和实验数据的基本参考测试用例用于CFD v和v。ECARP(欧洲计算空气动力学研究项目涉及到39的欧洲合作伙伴验证CFD代码和湍流模型的评估在欧洲1993年至1995年期间有特殊研究版在1997年关闭2]。1998年底,为了科学和工业社区提供验证和实验方法从亚音速、跨音速超音速、高超音速政权,欧洲共同体委员会开始支持主题的设置网络FLOWNET(在网络上流动图书馆网络)。这个主题网络的终极目标是促进工业和研究伙伴之间的合作不断为了评估的质量模拟和CFD软件的性能,是提高复杂的设计范围在航空和航天工业3]。2000年,44岁的欧洲参与组织了项目QNET-CFD在一起四年,欧盟网络质量和信任的工业应用计算流体动力学(4]。它的主要目标是提高信任水平,可以放置在CFD计算通过装配,结构,整理现有的知识封装模型潜在的性能目前的CFD代码。项目的期间,QNET-CFD赞助一系列研讨会,2001年,2002年和2003年。结束后在2004年7月,欧盟网络知识基础的控制传递给一个委员会欧洲研究共同体的流,湍流和燃烧(ERCOFTAC)增强和扩大知识库的职权范围和把它在线,造福全世界和CFD应用流体动力学家用户。

张仁应用空气动力学技术委员会(APATC)赞助2001年以来一系列阻力预测研讨会。这些研讨会的目标是(1)评估最先进的计算方法作为飞机部队和实用的空气动力学工具预测,(2)公正评估现有的计算机代码和建模技术的有效性,和(3)识别领域需要更多的研究和发展。第一个阻力预测研讨会(AIAA-DPW-I)在2001年6月举行。其挑战是计算升力、阻力和俯仰力矩DLR-F4亚音速翼身运输配置(5]。第二阻力预测研讨会(AIAA-DPW-II)在2003年6月举行。此时的重点是确定安装pylon-nacelle阻力增量和网格细化研究希望看到减少code-to-code散射。使用的几何图形是DLR-F6翼身(WB)和wing-body-pylon-nacelle (WBPN)组合6]。第三个阻力预测研讨会(AIAA-DPW-III)计划在2006年6月举行。研讨会的焦点将在“盲人”阻力预测精度;先天的实验数据将不会被用于比较。除了DLR-F6翼身有或没有FX2B表现交通模型,两个wing-alone模型,还包括DPW-W1 DPW-W2,鼓励学术参与和允许更多详尽的网格收敛性研究[7]。

2004年3月,为了更广泛的评估当前的能力不同的计算方法,合成射流的CFD验证和湍流分离控制(CFDVAL2004)车间在威廉斯堡,弗吉尼亚州(8]。三个不同的测试用例,所有这些都被美国国家航空航天局兰利研究中心进行了实验,锻炼各方面的物理流动分离控制。研讨会是结构化的一系列精致的湍流建模ERCOFTAC赞助的研讨会,2002年10月10日在法国举行的。

相比之下,类似的活动在中国是罕见的在过去。近年来,状态正逐渐改变。的理论和应用研究CFD信誉支付更多的关注。自2000年以来,CFD信誉为空气动力学数值分析和实验验证软件被确定国家重点项目气动高级研究项目之一。从那时起,许多努力为可信的CFD模拟。在本文中,我们的目标是介绍一些优秀的努力。第一个重要工作是国家CFD计算车间统一的测试用例,在类似的活动在西方如ECARP张仁和阻力预测研讨会。这样的一系列研讨会共同主办CARDC和ACTRI意图评估中国最先进的计算流体动力学(CFD)和识别研究领域在不久的将来。另一个是WiseCFD空气动力可靠性分析软件平台,这是一个重要的输出的一个正在进行的项目ACTRI [9]。它的目的是实现无缝CFD和规避乏味重复的手工操作过程。此外,努力与国际合作对CFD信誉分析也报道;特别是WiseCFD如何和其他验证数据库,例如QNET-CFD,可以相互受益的设想。

2。中国国家CFD v和v研讨会

中国主流集体CFD v和v活动连续两个工作坊由CARDC和ACTRI在2003年和2005年,分别。此外,一些后来也采取行动后10]。这两个车间的状态评估CFD的艺术在中国,和识别领域需要更多的研究和发展,促进预测精度。

第一努力举办一个研讨会于2003年放弃了一些原因,但导致了伟大的促进相关研究和特别版的论文(11]。特别版是由17个论文从9组织。所选择的测试用例包括DLR-F4翼身组合,nlr - 7301两个元素在高升力翼型和钝锥高超音速的速度。重点是拖热通量的预测精度。参与者被要求履行计算使用几何和网格文件提供的组织者和负责人也鼓励为模拟生成自己的网格。DLR-F4的几何配置是一样张仁DPW-I [5]。这个车间的挑战是计算升力,阻力,和压力分布在典型的翼0.185节,0.238,0.331,0.409,0.512,0.636,和0.844沿翼为一个特定的条件(): 主要的计算网格是由CARDC提供的。一些参与者也生成自己的网格。有9篇论文报告19计算结果。只有2使用欧拉计算获得的结果。其余采用Reynolds-Averaged n - s(跑)技术通过适当的湍流模型。典型的湍流模型包括Spalart-Allmaras (SA)和Baldwin-Lomax(提单)。统计分析这些结果如图1。这是观察到的结果车间非常分散。大多数软件开发了升力和阻力的结果。nlr - 7301高扬程翼型的情况下,两个几何图形之间的间隙尺寸是根据机翼后缘和单槽国旗,分别为1.3%和2.6%,作为一个百分比值的主翼弦。计算条件(1)1.3% flap-gap (2)2.6% flap-gap

占主导地位的网格中使用这个车间等多个块结构化配置是修补,可也发现从ECARP FLOWNET库。拓扑和细胞数量完全一致,9块和144832个细胞。在图2,一个典型的网格拓扑显示。结果需要提交的包括(1)升力系数、阻力系数和收敛的历史,(2)压力系数分布的主翼瓣,(3)表面摩擦系数分布的主翼瓣,和(4)典型速度边界层的概要文件的位置。

有5个测试用例的贡献者。其中,除了跑+湍流模型的结果,一些结果的大涡模拟(LES)也报道。图3显示了一个典型的压力系数分布计算结果通过与SA ACTRI雇佣了湍流模型。这一挑战,为了促进预测精度对于大型墙附近的流动分离,更广泛和更复杂的各种湍流模型(SA),提单,Jones-Launder、JB、SGS等)被认为是在这些贡献。这个测试用例发现相同的散射。几何及其主导第三测试用例的计算网格,高超声速钝锥,都是由CARDC提供。它的挑战是准确预测热通量为下列条件:

有6贡献者在研讨会上公布他们的研究结果。图4显示了一个典型的结果供CARDC这个测试用例。从这些贡献,一个重要的观察是一个高阶方案显然是上级对心脏通量预测基于相同的计算网格。

第二个国家努力可靠的CFD模拟从2004年9月。正式的研讨会是在内蒙古举行,2005年6月。这个研讨会的重点是高攻角的仿真问题,在CT-1 CARDC[提供的标准模型12)计算六个主力系数(即。,axial force coefficient, normal force coefficient, side force coefficient,力系数,力系数,力系数),升力系数和阻力系数。计算在以下流条件进行:,−5°之间,角度的攻击,和105°,侧滑角。

有34个与会者来自12个工作组的组织。大多数结果是通过了技术加上适当的湍流模型。湍流模型涉及包括SA,提单,,风场。部分结果来自欧拉计算。除此之外,一些分离涡模拟的结果(DES,混合动力车莱斯和跑)和晶格玻尔兹曼方法(加快)报道。图5显示了一个典型的结果从车间,升力系数不同的贡献者。这个车间的结果表现出的状态CFD研究在中国的艺术。

结果表明,对于高攻角问题,近年来进行了重大进展。简要来说,对于CT-1模型,我们得出的结论是,(1)计算空气动力学特性(如升力、阻力和俯仰力矩)中等攻角下良好的协议与实验数据,(2)计算角不对称发生侧向力同意实验数据,而侧向力的振幅是封闭的实验,和(3)当侧滑角不等于零,计算角使偏航时刻扭转同意通过和大型实验数据。然而,一些限制也观察到。他们是(1)相对应的攻角计算的最大升力系数是抵消,从实验中,(2)存在明显的差距计算和实验结果在40°和60°之间的攻角,和(3)预测的准确性时刻在高攻角特性是不够的。

3所示。集成软件平台的可信的CFD模拟:WiseCFD

自2000年以来,ACTRI已经开始开发一个集成软件平台援助评估的可信度CFD解决方案和执行一个可信的CFD模拟减少人为错误。它的主要目标是开发一个直观的用户环境,允许用户准备、提交、监控和管理大量的CFD模拟参数研究工作期间执行CFD的可信度分析,并实现数据和软件的综合管理。

WiseCFD平台的系统架构图所示6包括一个v和v图书馆和五个主要功能模块作为其主要的部分。情况下图书馆或者可以被看作是一个特殊的数据库进行CFD验证和确认。大量可靠的数据在过去的几年里整理和集成在数据库中。五个功能模块系统中用于实现不同的功能,例如,解决管理,数据管理,参数敏感性管理批处理作业管理,数据分析和比较。通过这种方式,一个自动无缝CFD过程建立起来,从而极大地提高了计算效率和可选地减少模拟的不确定性。

目前,WiseCFD平台发布的2.0版本,其主要的图形用户界面(GUI)如图7。有四种不同的GUI视图领域包括(1)顶部的工具栏区域,(2)在左边目录树区域,(3)操作面板中间区域,和(4)信息提示区底部。工具栏是用来提供一个快捷访问不同的功能与软件管理,计算作业管理,数据备份,或系统的帮助。视图区域目录树是用来显示hierarchy-arranged案件数据在某种程度上类似于Windows目录树。顶级的类型,它可以指定为三个不同的类:验证情况,验证情况,及应用情况的挑战。第二个层次是实际的测试用例。第三层次计算解算器是用于测试用例,第四个是所谓的研究案例,用于记录实际的分析活动。在每一个层面,不同操作面板将显示在面板视图区域。通过这些面板、数据管理相关的功能情况,计算软件管理,研究病例管理、计算结果管理、数据分析和比较可以访问。的主要特色WiseCFD v2.0简要总结:(1)它提供了一个方便的和用户友好的图形用户界面;(2)它提供了一个可扩展的数据库进行CFD验证和确认,6验证的情况下,验证20例和3例应用挑战当前版本中可用;(3)与一个可扩展的开放框架软件集成和使用数据交换标准(例如,plot3d和CGNS),它支持即插即用(PnP)软件集成,从不同的内部和商业CFD代码已经集成在这个简单的方法;(4)函数的参数敏感性分析和管理,它允许用户准备大量的不同的输入文件CFD可信度分析相似的简单方法;(5)分布式工作管理的功能,它允许用户轻松地提交和监控大型成批的CFD的工作,并有效利用可用计算资源在Windows和Linux集群环境;(6)对数据分析和比较丰富的辅助工具,它不仅提供了一种简单的方式为气动数据提取(即。(即,WiseADC),工程曲线阴谋。,WiseECG), data statistical analysis (i.e., WiseSAT), and grid convergence analysis (i.e., WiseGCI), but also customizes manifold interfaces in script with general commercial pre- and postprocessors such as ICEM-CFD, Gridgen, Gambi, Tecplot, Ensight, and VisIt;(7)它有一个完美的帮助系统,不仅帮助文档相关系统操作可用,而且文献的集合与CFD可信度分析提供;收集收集和整理许多重要的文献,几乎覆盖每个进程在CFD验证,验证,预测和校正。

4所示。未来的工作和结论

在本文中,我们概述了最近的一些努力CFD在中国可靠的模拟,验证和确认是谁的基本活动的国际权威。验证和确认的方面必须解决的重点是由于不确定性的量化模型假设(物理或几何)和数值和实验近似。有各种CFD v和v的路线图,但最普通的是通过不同的工作坊。以下类似的活动在西方如ECARP并拖动预测研讨会,连续两个国家讲习班v和v的CFD模拟由CARDC和ACTRI过去年意图评估计算流体动力学的最先进的中国和识别领域需要更多的研究和发展。最近,一些行动已经启动。

开发一个软件平台进行可信度分析是一个有创意的想法。”尝试一直在尝试ACTRI WiseCFD平台发展。这个平台的主要组件包括图书馆,图形用户界面工作管理、信誉和参数分析的工具,数据苛捐杂税和辅助工具,分析和比较,CFD验证和确认的情况下图书馆系统的内核。大量的实验数据和CFD结果综合,导致一个有用的验证数据库类似FLOWNET和QNET-CFD在欧洲。如今WiseCFD平台集成了内部和商业运行CFD代码使用它的PnP型整合策略。在不久的将来,希望涉及更多的CFD代码与先进的数值方法如DES甚至LES / DNS更好地预测流结构,例如飞机,还提供功能进行可信度分析等类型的连接器。

然而,CFD v和v需要多参与。这对中国还有很长的路。中国应该更多参与国际活动。通过这些合作,预计西方和中国可以相互受益。例如,在与QNET-CFD主题网络连接,WiseCFD可以贡献,享受可用资源。

确认

这项工作是由中国国家重点基础研究发展计划(973)资助。2009 cb723804。作者也想表达他们的感谢匿名评论家的好评来丰富这个工作。