通過空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬軟件，人們可以計(jì)算出一架還在“腦中”的飛行器機(jī)翼受力如何、單個(gè)部件增加了多大噪音，甚至飛機(jī)上各個(gè)點(diǎn)上的壓力多少……6月15日，中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心研究員王運(yùn)濤接受科技日?qǐng)?bào)記者專訪，講述了基于高性能計(jì)算集群系統(tǒng)（俗稱“超算”）飛機(jī)設(shè)計(jì)虛擬世界里的匠人精神。

挖掘超算潛能，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)設(shè)計(jì)過程的精準(zhǔn)“摸脈”

“任何一個(gè)環(huán)節(jié)的低精度數(shù)值模擬都可能導(dǎo)致飛行器性能一降再降、研制費(fèi)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(shè)計(jì)出高性能的飛機(jī)?！睂?duì)于民機(jī)來說，高精度數(shù)值模擬意味著市場(chǎng)；對(duì)于軍機(jī)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(xiàng)以來，王運(yùn)濤擔(dān)任項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃高性能計(jì)算專項(xiàng)“數(shù)值飛行器原型系統(tǒng)開發(fā)”項(xiàng)目目標(biāo)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(jì)算網(wǎng)格的密度來衡量，國際專業(yè)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)顯示，2016年模擬翼身組合體構(gòu)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(yùn)濤說，“目前，巡航構(gòu)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(xiàng)目的推進(jìn)，計(jì)算飛行器的網(wǎng)格規(guī)模將達(dá)到100億。”

飛機(jī)構(gòu)型的表面網(wǎng)格示意圖形似在飛機(jī)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(jī)埋到了一個(gè)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(jì)算應(yīng)用程序的持續(xù)性能通常能達(dá)到機(jī)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(dāng)?shù)墓αθナ褂?。此前我國憑借在超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行氣象模擬和地震模擬獲得了“戈登·貝爾獎(jiǎng)”，意味著在氣象和地震領(lǐng)域“武器”和“功力”基本匹配。

“飛行器虛擬設(shè)計(jì)將是實(shí)現(xiàn)‘超算’價(jià)值的下一個(gè)領(lǐng)域，也是推動(dòng)超算發(fā)展的最大推動(dòng)力之一。”王運(yùn)濤介紹，數(shù)值飛行器項(xiàng)目將緊密結(jié)合異構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)百萬處理器核的大規(guī)模異構(gòu)并行計(jì)算，充分挖掘國產(chǎn)異構(gòu)大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)的潛能。

精益求精，計(jì)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(shè)計(jì)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(jī)設(shè)計(jì)開始于設(shè)計(jì)目標(biāo)的確定?！蓖踹\(yùn)濤解釋，以氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)為例，依據(jù)初始目標(biāo)數(shù)據(jù)給出飛行器外形設(shè)計(jì)方案，然而這一方案能不能達(dá)到目標(biāo)要求呢？

“不可能每設(shè)計(jì)一次都做一個(gè)縮比模型試飛，成本高不說，比如細(xì)小的部件，如果縮小就變成一個(gè)點(diǎn)，難以反映真實(shí)情況?！蓖踹\(yùn)濤說，與風(fēng)洞試驗(yàn)、模型自由飛相比，數(shù)值模擬技術(shù)更快速、更經(jīng)濟(jì)，并且可開展多學(xué)科耦合的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)分析。

上升、俯沖、旋轉(zhuǎn)、搖擺，飛機(jī)在萬米高空的優(yōu)雅姿態(tài)只是表象。飛機(jī)本體卻正在經(jīng)受呼嘯的風(fēng)阻、凜冽的氣旋、拖墜的自重等因素的考驗(yàn)。“在精準(zhǔn)的模擬中，飛機(jī)并不是我們想象那樣堅(jiān)硬，而是有彈性變形的?！蓖踹\(yùn)濤說，尤其隨著機(jī)體輕量化的要求，機(jī)體的材質(zhì)更趨向采用復(fù)合材料，在剛性和韌性間尋找平衡。

傳統(tǒng)的飛機(jī)初步設(shè)計(jì)并不會(huì)考慮這樣微小的變形，因?yàn)榘愃谱兞康哪M計(jì)算量實(shí)在太大了，在過去是難以想象的。但是對(duì)于產(chǎn)品來說，“毫厘之失”有著難以想象的放大效應(yīng)?！袄?，噪音水平可能因?yàn)榫植课⑿∽兓杀斗糯?，不達(dá)標(biāo)的飛機(jī)將難以打開國際市場(chǎng)。”王運(yùn)濤說。為此，在高性能計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)上，有效的數(shù)值模擬將通過高效、高質(zhì)量的數(shù)模處理及網(wǎng)格生成技術(shù)，高效、高精度的控制方程組離散求解技術(shù)，數(shù)值模擬結(jié)果的驗(yàn)證與確認(rèn)等，“全生命周期”地指引所設(shè)計(jì)飛行器的性能指標(biāo)滿足飛行器的預(yù)期性能指標(biāo)。

“目前，我國的飛機(jī)設(shè)計(jì)還主要依賴于國外軟件，項(xiàng)目的順利實(shí)施將研發(fā)出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)值飛行器原型系統(tǒng)。”王運(yùn)濤說，項(xiàng)目成果可以直接應(yīng)用于我國在研的大型客機(jī)、先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)等，大幅度提升我國自主研制飛行器的精細(xì)化設(shè)計(jì)水平。（記者張佳星）

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