喜报｜再创佳绩！一文概览「神工坊」航空发动机行业应用

    日前，中国航空学会发布了《2024年度“中国航空学会科学技术奖”评审结果公示》，「神工坊」团队的《兼容异构超算的航空发动机低排放燃烧和传热仿真技术及软件研制》项目名列其中，荣获“中国航空学会科学技术奖”科技进步奖二等奖。

中国航空学会科学技术奖

    中国航空学会成立于1964年2月，是航空航天科学技术工作者自愿结成依法登记成立并经中国科学技术协会接纳的全国性的学术性非盈利法人社会团体。

    经国家主管部门批准设立的“中国航空学会科学技术奖”，面向全国，每年评选一次；奖励在中国航空领域科学研究、技术创新与开发、科技成果推广应用、科学技术普及等方面取得成果或做出突出贡献的单位和个人。

    「神工坊」团队基于高数值模拟框架进行开发，在航发数值模拟领域达到了新的里程碑。

项目介绍

兼容异构超算的航空发动机低排放燃烧和传热仿真技术及软件研制

不同迭代步长下的瞬时温度等值线图
环形燃烧室的切片显示了温度场的明显特征

1. 该软件提出了面向航空发动机燃烧室工程应用的气液两相湍流燃烧计算模拟方法及仿真全流程解决方案。

(1) 流动方面

采用非结构网格和有限体积法离散，采用基于压力的求解方案，同时提供RANS和LES两类模型；

(2) 燃烧方面

同时具备简单化学反应EDM和复杂化学反应FGM燃烧模型，同时支持液相连续流场和离散流场描述；

(3) 流固热耦合方面

采用弱耦合方式，通过流动求解器和固体传热求解器之间进行交界面上的温度、热流等传递实现气热耦合计算；

(4) 高性能计算方面

实现了基于国产神威超算的100万核心并行和10亿级网格求解，采用其中多级并行的稳定双共轭梯度算法和代数多重网格算法，实现了高效并行隐式求解。

2.该软件率先实现了自主软件在真实型号上的应用。

国产软件在民用涡扇航空发动机燃烧室启动热力设计场景中的测试验证与实际应用，目前实现了对火焰筒冷却、喷嘴吹扫、旋流器开孔、燃油雾化等燃烧室日常设计场景的全覆盖。

3. 该软件计算精度与商业软件相当。

压力损失、流量分配与可靠试验数据偏差在±10%以内，出口温度分布系数RTDF的径向分布趋势与可靠试验数据一致，峰值偏差在±15%以内，出口污染物NOx排放量与试验测量结果趋势一致。

4. 该软件分辨率和并行规模超越商业软件。

基于国产神威超算的100万核心并行和10亿级网格求解，大幅超跃可用的国外商业软件。

5. 该软件打破商业软件功能限制。

目前商业软件由于功能和并行规模限制，尚不能支持全环燃烧室非定常模拟，本软件是少有的点火、熄火和燃烧稳定性分析自主工具之一。

「神工坊」航发模拟研发进程

01《基于神威超算的超大规模高精度航空发动机气动热力学模拟》

2023年度ACM“戈登·贝尔奖”提名课题

    研究团队证明了利用大涡模拟来解决航空发动机复杂流动的可行性，该工作为实现NASA提出的航空发动机整机数值模拟迈出了坚实的一步。

    1. 高复杂性流动的模拟能力

    通过使用非结构化的计算流体动力学（CFD）代码，模拟了具有多阶几何特征的高压涡轮叶片的气热动力学

    →处理极端温度和压力条件下的详细流动特性

    →航空发动机的设计和性能优化

    2. 高精度和高保真度的数值结果

    结构化CFD代码能够解决纳维-斯托克斯方程，并且具有高达8阶的数值精度。

    →结果更加接近实际物理现象

    3. 高效率的并行计算性能

    神威系统上实现了一致的性能115.8 DP-PFLOPs，并且在大规模问题上实现了89%的强扩展并行效率。

    →有效利用超级计算机的计算资源

    4. 向NASA提出的挑战迈进

NASA挑战：涉及整个发动机的时间依赖模拟，包括所有气动和热传递组件。

    在神威太湖之光超级计算机上进行大规模涡流模拟（LES），模拟整个高压涡轮级，为解决NASA挑战提供了重要的技术基础和应用案例。

模拟结果：Q准则等值面背景由压力梯度绘制轮廓，
从而对冲击波和压力传播进行可视化

02《兼容异构超算的航空发动机低排放燃烧和传热仿真技术及软件研制》

2024中国航空学会科学科学技术奖

    研究团队开发了基于神威·太湖之光超级计算机的高效隐式非结构化求解器，用于全环形航空发动机燃烧室的大规模并行模拟。该求解器解决了共形界面问题，显著提升了多核平台上的性能，为航空发动机的设计和优化提供了强有力的工具。

    并行模拟：

    在「神威·太湖之光」支撑的大规模并行测试中，研究模拟了近十亿个单元格的航空发动机燃烧室中的湍流非预混燃烧。实现了整体性能提升5.48倍，相对并行效率高达59%。

    燃烧仿真：

    通过全环形模拟，研究能够观察到扇区之间的真实火焰波动，较之单扇区模拟或RANS模拟视角更为全面，包含“更准确的火焰和湍流相互作用”及“非定常现象的捕捉”，为燃烧室设计提供了更加真实的视角。

(a) 实验环形燃烧室的 CAD 模型；(b) 表面网格

03《在神威·太湖之光超级计算机上隐式航空发动机整机的大规模并行模拟》

逐步迈向航空发动机系统级仿真

    研究验证了在「神威·太湖之光」超级计算机上，利用完全隐式非结构化求解器，进行航空涡轮风扇发动机全三维流动和燃烧的大规模模拟的可行性，为实现全发动机的高精度数值模拟提供技术突破及理论支持。

对整个涡扇发动机进行三维气动和燃烧仿真中其他时间步长的模拟结果
(a) 速度；(b) 压力；(c) 相对马赫数；(d) 马赫数、压力和温度

结语

    工程仿真作为航空发动机设计和优化的强有力工具，是航空航天工业创新研发的重要支撑。未来，「神工坊」也将不断使用先进计算赋能CAE，实现对复杂物理现象和高精细度场景快速模拟，持续赋能航空航天领域，以先进工程计算技术构建工业元宇宙核心引擎，加速工业端到端数字化闭环形成和工业产品个性化定制时代的到来。

    关注我们，让「仿真驱动创新，计算引领未来」。