重点专项巡礼

    本报记者 张佳星

    通过空气动力学数值模拟软件，人们可以计算出一架还在“脑中”的飞行器机翼受力如何、单个部件增加了多大噪音，甚至飞机上各个点上的压力多少……6月15日，中国空气动力研究与发展中心研究员王运涛接受科技日报记者专访，讲述了基于高性能计算集群系统（俗称“超算”）飞机设计虚拟世界里的匠人精神。

    挖掘超算潜能，实现飞机设计过程的精准“摸脉”

    “任何一个环节的低精度数值模拟都可能导致飞行器性能一降再降、研制费用一升再升、研制周期一拖再拖。反过来，模拟精度越高，越可能快速设计出高性能的飞机。”对于民机来说，高精度数值模拟意味着市场；对于军机来说，高精度数值模拟则意味着战斗力。

    自2016年7月立项以来，王运涛担任项目负责人的国家重点研发计划高性能计算专项“数值飞行器原型系统开发”项目目标明确——要将飞行器的模拟精度提升百倍。

    精度一定程度上可从虚拟模型计算网格的密度来衡量，国际专业机构的数据显示，2016年模拟翼身组合体构型的网格规模为2500万左右，而2003年的这一数值仅为390万。王运涛说，“目前，巡航构型（增升装置收起的状态）采用的网格规模为数千万，通过项目的推进，计算飞行器的网格规模将达到100亿。”

    飞机构型的表面网格示意图形似在飞机表面覆盖上了一张巨大的渔网，空间网格示意图形似将飞机埋到了一个巨型的米仓，只是其上的网格比肉眼可见的“网眼”“米粒”密集数百倍。5%—10%，是目前高性能计算应用程序的持续性能通常能达到机器峰值性能的百分比。这就好比有了重磅的武器，却没有相当的功力去使用。此前我国凭借在超级计算机上进行气象模拟和地震模拟获得了“戈登·贝尔奖”，意味着在气象和地震领域“武器”和“功力”基本匹配。

    “飞行器虚拟设计将是实现‘超算’价值的下一个领域，也是推动超算发展的最大推动力之一。”王运涛介绍，数值飞行器项目将紧密结合异构计算机体系结构特点，实现百万处理器核的大规模异构并行计算，充分挖掘国产异构大规模并行计算机的潜能。

    精益求精，计算出“钢铁侠”的弹性变形

    让几十吨重的庞然大物在空中飞行，设计该从哪里开始？

    “巡航速度是多少、起飞重量是多少、航程是多少……飞机设计开始于设计目标的确定。”王运涛解释，以气动外形设计为例，依据初始目标数据给出飞行器外形设计方案，然而这一方案能不能达到目标要求呢？

    “不可能每设计一次都做一个缩比模型试飞，成本高不说，比如细小的部件，如果缩小就变成一个点，难以反映真实情况。”王运涛说，与风洞试验、模型自由飞相比，数值模拟技术更快速、更经济，并且可开展多学科耦合的复杂动力学分析。

    上升、俯冲、旋转、摇摆，飞机在万米高空的优雅姿态只是表象。飞机本体却正在经受呼啸的风阻、凛冽的气旋、拖坠的自重等因素的考验。“在精准的模拟中，飞机并不是我们想象那样坚硬，而是有弹性变形的。”王运涛说，尤其随着机体轻量化的要求，机体的材质更趋向采用复合材料，在刚性和韧性间寻找平衡。

    传统的飞机初步设计并不会考虑这样微小的变形，因为包含类似变量的模拟计算量实在太大了，在过去是难以想象的。但是对于产品来说，“毫厘之失”有着难以想象的放大效应。“例如，噪音水平可能因为局部微小变化而成倍放大，不达标的飞机将难以打开国际市场。”王运涛说。为此，在高性能计算机集群系统上，有效的数值模拟将通过高效、高质量的数模处理及网格生成技术，高效、高精度的控制方程组离散求解技术，数值模拟结果的验证与确认等，“全生命周期”地指引所设计飞行器的性能指标满足飞行器的预期性能指标。

    “目前，我国的飞机设计还主要依赖于国外软件，项目的顺利实施将研发出具有完全自主知识产权的数值飞行器原型系统。”王运涛说，项目成果可以直接应用于我国在研的大型客机、先进战斗机等，大幅度提升我国自主研制飞行器的精细化设计水平。