全三维高保真模拟！超算支持航空发动机整机仿真

导 读

航空发动机被誉为“工业皇冠上的明珠”，是飞机的心脏。如何进一步提高其工作效率，从而减少能耗，降低成本，一直是科学家和工程师们研究的重要课题。近期，欧洲科学计算研究中心（CERFACS）利用欧洲高级计算合作伙伴计划（PRACE）资助的3000多万核时的超算资源完成了飞机发动机整机的高保真模拟，通过超过20亿网格单元的空间分辨率，高精度解析了发动机内部燃烧过程。此项研究首次耦合不同的发动机部件，进行了飞机发动机整机的全三维仿真，是该研究领域新的突破，引起了国内外业界的广泛关注。 

航空发动机是世界上最重要、最先进的航空机械之一，效率越高的发动机消耗的燃料更少，从而能够降低成本并减少大气污染。这也是工程师和科学家们持续致力于改善和优化飞机发动机设计的原因之一。计算机仿真在此过程中发挥着重要的作用，它可以灵活添加和调整难以从现实中获得的信息来扩展和增强实验结果，从而高效推动研发进程。

超算+流体力学，助力发动机整机仿真

当前对飞机发动机或飞机外型的优化设计时，工程师们通常借助计算流体力学来优化气流以进一步提高飞机的速度和效率。然而，由于这些流体动力学模拟的计算量很大，研究人员通常仅仅模拟系统的小部分或系统的大幅简化版本，并且得到的计算结果精度较低。近期，位于法国图卢兹的欧洲科学计算研究中心（CERFACS）的研究团队借助欧洲高级计算合作伙伴计划（PRACE）的超算资源，完成了飞机发动机整机的高保真度模拟。

该项目名为“FULLEST（First fUlL engine computation with Large Eddy SimulaTion）”，意为“首台使用大涡模拟的发动机整机仿真”。通过FULLEST，研究团队模拟了DGEN380商用飞机涡扇发动机的三个关键部件：风扇、压气机和燃烧室。

在研究过程中，项目团队与两家国际知名航空公司进行了密切合作，分别是大型直升机和飞机发动机制造商Safran SA以及飞机引擎制造商Akira Technologies。该研究项目中模拟的DGEN380发动机就是由Akira Technologies公司生产制造的。

耦合部件的挑战及优势

在研究过程中，研究团队遇到的第一个挑战是实现飞机发动机每个部件的高精度仿真，其涉及到许多不同的复杂物理过程。第二个挑战是实现多个部件模拟的耦合。项目负责人Dombard博士介绍道，“耦合不同的发动机部件是研究过程中的一大难点！耦合部件时，模拟范围将大幅扩大，计算也将更加复杂。”他们开发了一种耦合方法来实现完全集成的仿真，该方法解决了多个耦合模拟引起的不稳定问题，并能真实而准确的反应其物理过程。

最后为了表示一个完整的引擎，还需要建立一个全三维的模拟。常规的仿真通常复制部件以减少计算成本，例如燃烧室的风扇叶片或喷射器等，但是，当涉及不同物理过程的部件耦合时，模拟必须全面覆盖整个对象。这大大增加了模拟仿真的规模和复杂性。

模拟结果表明，这种鲁棒的多部件耦合发动机仿真是可行且有效的。通过对发动机整机的模拟，研究人员可以细致查看部件之间的相互作用，例如来自压气机的压力波对燃烧室的影响等。

Joliot-Curie助力大规模高精度仿真

研究人员介绍道，为实现整个飞机发动机的高保真模拟，且考虑到耦合不同的发动机部件，该项工作的计算需求非常庞大。为完成该计算模拟工作，项目通过欧洲高级计算合作伙伴计划（PRACE）获得了3160万核时的资助，这些计算资源均来自GENCI（法国国家大型计算中心）的超级计算机Joliot-Curie。作为欧洲非常重要的超算系统之一，Joliot-Curie在最新TOP500榜单中位列第33位。最终，研究人员采用20亿网格单元将DGEN380发动机计算域划分，使用大涡模拟方法高精度地解析了整个发动机内部燃烧过程。

Joliot-Curie超级计算机

据悉，研究团队未来还将继续分析部件之间的相互作用，不仅是风扇和压缩机等相邻部件之间，还有风扇和燃烧室等非相邻部件之间的相互作用。该研究团队的最终目标是提供一个包含发动机各部件的完整的高保真数据库，以帮助全球相关研究团队，共同高效推进更多飞机发动机模拟仿真工作。

作为飞机的心脏，航空发动机不仅是飞机飞行的动力，也是促进航空事业发展的重要推动力。进入21世纪，依托超算等新技术新手段，航空发动机正在进一步加速发展，将为人类航空领域带来新的重大变革。我们期待这些发动机的发展使未来的航空器更快、更远、更经济环保，并在不久的将来使高超声速航空器、跨大气层飞行器和可重复使用的天地往返运输成为现实。

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