本文翻譯轉(zhuǎn)載于：Cadence Blog

作者：Veena Parthan

模擬高速射流既是一項技術(shù)挑戰(zhàn)，也是流體動力學(xué)領(lǐng)域一個激動人心的研究前沿。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，尤其是在超音速和高超音速飛行領(lǐng)域，深入了解這些極端速度下流體運動的復(fù)雜行為變得越來越重要。當(dāng)速度超過 1 馬赫時，氣動力的性質(zhì)會發(fā)生顯著變化，從而產(chǎn)生激波。這些激波會形成特定的流動模式，從而顯著影響飛機的性能、穩(wěn)定性和機動性。

當(dāng)飛行速度達到 3 馬赫及以上時，尤其是在超燃沖壓發(fā)動機中，摩擦和壓縮引起的溫度變化可能會超過 1500 攝氏度。如果在設(shè)計中沒有充分考慮這種極端的熱環(huán)境，可能會導(dǎo)致材料疲勞和失效。借助Fidelity LES Solver（原名為 Cascade CharLES）等計算流體動力學(xué)（CFD）工具，研究人員現(xiàn)在可以以前所未有的精度探索高速飛行的物理特性。

但是，如何才能精確模擬這些極端工況？我們該如何應(yīng)對這些模擬帶來的諸多挑戰(zhàn)？本文將帶你探索模擬高速射流的挑戰(zhàn)，展示 Fidelity LES 求解器的功能，并通過案例研究凸顯其潛力。

高速射流模擬的挑戰(zhàn)

高速射流模擬面臨著眾多挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)源于溫度、壓力和湍流之間復(fù)雜的相互作用。在高雷諾數(shù)下，湍流變得難以預(yù)測，需要強大的算法和高性能計算才能獲得準確的結(jié)果。

主要挑戰(zhàn)之一是捕捉壓縮性效應(yīng)。在高速下，密度的變化以及與沖擊波的相互作用會顯著改變流動行為，因此精確建模至關(guān)重要。此外，高速射流內(nèi)復(fù)雜的流動結(jié)構(gòu)需要有效的湍流建模；在精度和計算效率之間找到適當(dāng)?shù)钠胶馊匀皇且粋€重大挑戰(zhàn)。

其他重要方面包括傳熱和數(shù)值穩(wěn)定性。劇烈的溫度梯度需要精心定義的邊界條件，以防止模擬中出現(xiàn)反射偽影。雖然高分辨率方案對于捕捉這些梯度至關(guān)重要，但它們通常會增加計算成本。

噪聲預(yù)測在聲學(xué)分析中至關(guān)重要。精確的噴氣噪聲建模需要將流動模擬與氣動聲學(xué)模型相結(jié)合，以有效捕捉各種環(huán)境中的聲音傳播。此外，燃料噴射的加入增加了復(fù)雜性，需要建立穩(wěn)健的混合模型，因為燃料的特性會影響噴氣機的整體性能。

此外，利用實驗數(shù)據(jù)進行驗證的挑戰(zhàn)也不容忽視。有限的實驗基準通常意味著模擬必須基于不完整的數(shù)據(jù)和不同的假設(shè)，這使得驗證過程更加復(fù)雜。

這些挑戰(zhàn)共同凸顯了對先進計算工具和可靠高性能計算基礎(chǔ)設(shè)施的需求，以提高高速射流模擬的準確性和效率。

解決方案：Fidelity LES 求解器

Fidelity LES 求解器是一款專為高超音速和超音速流動模擬而設(shè)計的高保真計算流體動力學(xué)（CFD）分析工具。這款創(chuàng)新工具將大渦模擬（LES）擴展到關(guān)鍵的航空航天應(yīng)用領(lǐng)域，解決了極端流動條件下面臨的獨特挑戰(zhàn)。它結(jié)合了先進的數(shù)值方法、高質(zhì)量的網(wǎng)格生成和卓越的可擴展性，適用于極端航空航天環(huán)境中的大渦模擬（LES）。

Fidelity LES 求解器的主要亮點包括：

●多面體網(wǎng)格生成：該工具利用先進的裁剪 Voronoi 圖，即使對于復(fù)雜的幾何形狀也能實現(xiàn)穩(wěn)健高效的網(wǎng)格劃分，從而確保精確且可擴展的模擬。

●可擴展性：Fidelity LES 旨在在 CPU 和 GPU 高性能計算系統(tǒng)上無縫運行，能夠高效地提供高分辨率結(jié)果。

●預(yù)測性高保真模擬：憑借先進的算法，它能夠以無與倫比的精度捕捉高速射流的復(fù)雜物理特性，從沖擊波相互作用到聲波傳播。

案例研究：探索非線性聲波

高速射流的累積非線性聲波形畸變（J.Fluid Mech., 2014）

為了展示Fidelity LES 求解器的功能，我們進行了一個案例研究，模擬高速射流并分析其聲學(xué)特性。該研究的主要目標(biāo)是分析非線性聲波形在出口馬赫數(shù)為 3 的噴嘴中的傳播，并用實驗數(shù)據(jù)驗證這些結(jié)果。

設(shè)置

●使用 Fidelity LES 理想氣體求解器模擬可壓縮流動。

●1E-7 秒的時間步長確保了時間分辨率。

●在Cadence Millennium 平臺上，使用一個包含 8 個 GPU 的 GPU 節(jié)點，在 60 小時內(nèi)實現(xiàn)了 0.1 秒的物理時間仿真。

●使用位于 x/Dj = 20 處的麥克風(fēng)記錄噪聲，截止頻率約為 54kHz。信號清晰度得益于重疊度為 50% 的漢寧窗。

背景網(wǎng)格為 100 毫米，噴嘴處網(wǎng)格細化至 0.4 毫米（首層網(wǎng)格厚度）。

結(jié)果與洞察

模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)高度吻合，凸顯了求解器的預(yù)測準確性。雖然觀察到譜分辨率存在一些差異（歸因于數(shù)據(jù)平滑方法的差異），但模擬捕捉到了關(guān)鍵趨勢并驗證了實驗結(jié)果。低頻噪聲（St < 0.03）的變化與影響實驗聲傳播的隧道反射有關(guān)。

Fidelity LES 與實驗的遠場噪聲結(jié)果比較

Fidelity LES 的流量馬赫數(shù)

展望未來

高速射流模擬仍然是理論研究和實際航空航天創(chuàng)新的關(guān)鍵紐帶。通過使用 Fidelity LES 求解器等工具解決這些流動的固有復(fù)雜性，研究人員正在為更安靜、更高效的飛行系統(tǒng)以及高超音速飛行的突破性進展鋪平道路。