数字风洞 是一种基于计算机仿真的先进技术，用于模拟飞行器等对象在各种气流条件下的性能和行为。与传统风洞相比，数字风洞可以大幅降低传统物理风洞实验的成本和时间，弥补物理风洞尺度和洞壁干扰上的不足，并且能够提供更加精确的数据和细节，为产品设计和优化提供有力支持。


1 工作原理

首先，让我们来了解一下数字风洞的工作原理。

数字风洞运用数值计算方法和计算流体力学（CFD）技术，将试验对象的几何形状和运动参数输入计算模型中，通过计算模型的求解，模拟飞机、汽车、建筑等物体在流场中的运动行为，预测和评估其在实际环境中的性能表现。


2 国内外技术现状

过去，诸如美国、德国和日本等国外发达国家在数字风洞技术领域中一直处于主导地位。

在欧洲，由德国宇航中心（DLR）主导实施的Digital-X项目，致力于研发一个面向航空装备的大规模并行多学科分析优化设计平台，推动实现了航空航天飞行器数字化设计的转型升级。

21世纪以来，日本在数字风洞建设方面也取得了实质性进展。早在1990年代，日本宇宙航空开发机构（JAXA）成功建设了第一代和第二代数值风洞。近年来，日本推出了一种由数值仿真和可视化两部分组成的数字风洞系统，其峰值运行速度可达9.7万亿次/秒。在后续的发展中，该系统逐步与实体风洞相结合，形成了一种名为“Hybrid Wind Tunnel”的集成风洞。通过该系统，可以在数字空间近乎完全复现装备研制中的风洞试验过程，利用高性能计算机、CFD软件开展数值模拟，进行试验方案设计以及关键流动问题分析。

在我国，上世纪90年代，中国空气动力研究与发展中心张涵信院士提出以“5M 1A”（硬件、网格、方法、机理、显示、应用）为内涵的数值风洞概念，极大地推动了国内理论、方法、软件等方面的进步，并为我国民用工业装备的研制提供了重要的工具支撑。

目前，国内的一些高校和研究机构正积极开展数字风洞领域的研究工作，与此同时，国内的企业也纷纷加大了对数字风洞技术的研发投入，取得了一系列重要进展。


3数字风洞优势

数字风洞具有显著优势，其通过计算机能够模拟出各种复杂的飞行条件和气流场景，同时对飞机等装备的结构和性能进行全面且准确的分析。此技术极大地缩短了研发周期和成本，并为设计者提供了更大的设计自由度和优化空间。

近年来，我国在超级计算机领域取得了重要突破，拥有了世界领先水平的超算能力。2022年8月26日，“基于国产超级计算机的民用装备数字风洞云平台关键技术研发”正式获得江苏省产业前瞻与关键技术攻关重点项目立项，顺利召开项目启动会。

项目团队旨在建立与物理风洞1:1还原的数字孪生风洞，充分利用网格自适应框架与先进国产超级计算机的结合优势，实现大规模、高精度、高效率的模拟计算，实现物理实验数据、“直接数值模拟”数据与物理模型的一致校正，提升业界典型流体力学问题模拟的精度和效率水平。

团队深入研究与国产超级计算机架构深度融合的多层分布式自适应网格框架，充分发挥“神威·太湖之光“的超强计算能力；高效实现针对复杂几何的网格快速自动生成以及多尺度流动现象的网格自适应加密技术。同时，团队研究网格自适应条件下的动态负载均衡技术，以提高并行效率。


数字风洞通过以物理风洞为蓝本构建1:1的孪生数字模型，全面采用高保真数值模拟、基于物理试验数据和高置信度数值数据的机器学习湍流模型以及依靠超级计算机的算力支撑，提升数字风洞与物理风洞的一致性，从而达到将物理风洞试验搬到数字世界的目的，以形成成本、技术、业务流量优势，满足市场需求缺口、发掘潜在需求，促进工业技术数字化转型升级。


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