仿真科普｜翱翔长空，探索宇宙：CAE仿真技术引领打造航空航天新纪元
航空航天工业作为国家综合实力的重要标志，同时也是现代工程技术的典范之一。当前，科技创新与产业换代为主的新一轮工业革命正在全球展开，国家“十四五”规划纲要明确提出，要加快建设制造强国、网络强国、数字中国，构建数字驱动的产业新生态，以数字化转型整体驱动生产方式变革[1]，同时，我国社会经济的发展和国防能力的提升也对航空航天行业提出了更高的要求。
在航空航天研制的全过程中，仿真技术一直发挥着提高研制效率和质量、减少实物试验反复、降低研制风险和成本以及加快研制进程的重要作用。
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航空航天工业仿真的关键技术
1
流体力学仿真
计算流体力学是通过数值方法求解流体力学控制方程，并预测流体运动规律的学科，在航空航天中主要应用于航空发动机。由于航空发动机的进排气、风扇、压气机和涡轮都是内部流动，因此在航空发动机中主要进行的是内流计算流体力学研究。[2]
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2
动力学仿真
利用仿真技术，对航空航天器的运动过程进行模拟，以预测其飞行轨迹、姿态等关键动力学特性，从而为飞行控制和导航系统的设计与优化提供坚实可靠的科学依据。
3
结构强度仿真
通过仿真技术，对航空航天器的结构进行模拟和分析，预测其受力、变形等性能。结构强度仿真应用计算结构力学，计算从零件到部件、组件、分系统以及整台航空发动机的结构性能。
图片来源：第十三届中国国际航空航天博览会
4
燃烧仿真
计算燃烧学是对燃烧的基本现象和实际过程进行计算机模拟的一门学科，为深入认识航空发动机燃烧过程和燃烧装置的设计及研制提供了重要手段。当前，燃烧数值仿真技术进一步朝着系统级高保真的方向发展。
5
材料仿真
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CAE仿真技术在航空航天中的应用
1 飞行器设计与优化
在飞行器的设计过程中，CAE仿真技术扮演着至关重要的角色，它可以帮助工程师们进行飞行器外形设计、气动性能分析、结构强度验证等一系列重要任务。通过数值模拟和虚拟试验，工程师们可以在计算机环境下进行快速、准确的仿真优化，确保飞行器设计能够达到最佳性能。
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2
飞行器飞行控制
飞行控制是保证飞行器安全飞行的关键要素之一。CAE仿真技术可以帮助研发人员进行飞行控制算法的开发和测试。通过在计算机环境中建立精确的模型，模拟各种飞行环境和异常情况，帮助改进飞行控制系统的鲁棒性和可靠性。
3
空中交通管理
随着航空交通量的增加，有效的空中交通管理显得尤为重要。仿真模拟技术可以帮助分析和优化空中交通管制系统，通过建立虚拟的航空交通网络，模拟各种交通流量情况，提供合理的航线规划和交通流调度，以提高空中交通的效率和安全性。
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4
天气和环境影响分析
天气和环境条件对于飞行器的安全性和性能有着重要影响。仿真模拟技术可以帮助分析气象因素对飞行器的影响，预测恶劣天气下的飞行性能和操作限制。同时，还可以模拟各种环境条件，如空气密度等，以准确评估飞行器在各种环境下的性能。
神工坊在航空航天领域的应用案例
多学科优化并行工作流构建及超算移植加速
神工坊在航空航天领域的应用案例
多学科优化并行工作流构建及超算移植加速
当前，航空航天工程中的仿真技术趋向于更高的精细化和多学科集成。利用高性能计算和先进的模拟软件，可以实现更精确的仿真结果和更真实的飞行体验。同时，不同学科的仿真模拟也将更加紧密地集成，实现全面的飞行器设计和测试。
2024年4月19日，“十四五”国家重点研发计划“高性能计算”重点专项“面向新一代国产超算系统的民用飞机多学科联合设计优化技术与软件”项目启动暨实施方案论证会在无锡顺利召开。
神工坊团队负责的“多学科优化并行工作流构建及超算移植加速”课题，依托自主研发的高性能多域多物理场数值模拟框架，深入研究多学科联合优化计算过程中的性能热点，从多个层面提炼众核加速共性算法，实现多种异构超算平台上的多学科优化软件适配与维护。
延伸阅读
商业软件适配优化
企业突发紧急任务，神工坊团队在最先进硬件上对所使用的商业软件进行适配优化，使其性能相对原来提升10倍，为企业有效保障了任务时间节点。
某燃烧模拟程序
某航空发动机企业，需要完成航空发动机全环燃烧模拟，网格数达到亿级，并行规模达到万级，但是目前使用的软件无法支持。
通过对软件架构、数据结构和并行算法等多方面的改造，最终实现网格规模和并行规模提升超2个量级，达到10亿网格和100万核心。
航发整机全流道数值模拟
航发多级风扇、压气机和燃烧室是典型的多域多物理问题，神工团队采用优化的滑移耦合器，使得并行几何匹配和数据传递时间缩短65倍以上。
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无人机仿真应用定制
某无人机制造商拟定制一款仿真软件，神工坊依托自主研发的仿真定制框架和高性能计算技术，针对用户在复杂产品设计、复杂环境评估等场景下的特定仿真需求，打造出一款高度易用、高效求解、精确可靠的无人机仿真App。该软件为用户提供了完整的几何清理功能，通过自研的网格模块，根据无人机真实工况生成自适应网格，进而利用LBM求解器进行计算，实现了对旋翼机体的数值仿真。这款软件易于操作，界面设计简洁直观，产品经理也可轻松上手。
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仿真技术作为航空航天工业创新研发的重要支撑，是实施数字化转型的核心。未来，在高性能计算、人工智能等先进计算技术的加持下，航空航天仿真技术将朝着“快速高效、精准映射、全面覆盖、动态预测”方向发展。[3]
神工坊源自国家超级计算无锡中心（始于2016年），核心技术为历时8年、投入数千万元、在先进超级计算平台上研发的，面向工程仿真的高性能计算技术——高性能数值模拟框架。
近年来，神工坊通过与国内顶尖高校、科研院所及行业重点企业的紧密合作，在联合科技攻关、科技创新资源的整合等方面取得了丰硕的成果，为推动我国工业仿真技术的跨越式发展，以及重大装备研制创新和工业设计研发数字化转型提供了有力支撑。
参考文章
1.国务院. 中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要[EB/OL]. (2021-03-13)[2022-12-20].
2.曹建国. 航空发动机仿真技术研究现状、挑战与展望[J]. 推进技术, 2018, 39(5): 961-970.
3.曹建国. 数字化转型下航空发动机仿真技术发展机遇及应用展望[J]. 系统仿真学报, 2023, 35(1): 1-10.
