计算流体力学有多重要？

21 世纪初，美国的第四代战斗机F-22(猛禽) 的出现令世界瞩目，随后成功应用其上的先进技术研制出了更为经济的多用途战斗机F-35；2010 年年底，俄罗斯的新一代战斗机T-50 横空出世；2011 年年初，美国的舰载无人战机X-43B 揭开了神秘的面纱。与此同时，世界主要航空航天大国均在加紧开展临近空间飞行器的研制，如美国国家航空航天局(NASA) 正在开展X 系列(X-37、X-43 和X-51 等)验证机的研制，同时还在开展HyFly 计划和FALCON 计划；欧盟、俄罗斯、印度、日本和澳大利亚等也正大力开展高超声速飞行器技术研究，启动了相应的高超声速技术研究项目。凡此总总，21 世纪的天空注定会是暗潮汹涌。

当前和未来5~20 年内，我国航空航天飞行器研制也将迎来又一蓬勃发展时期。四代机(J20)和大型运输机(Y20) 已成功首飞，舰载预警机正在研发，五代机已提上议事日程；支线客机(ARJ21) 已交付使用，大型客机(C919) 已经总装下线准备首飞，宽体客机已启动预研；新型高超声速飞行器取得重大突破，探月工程圆满完成首期“绕、落、回”任务，深空探测工程正式启动；新型大推力火箭、一批战略战术导弹正在紧锣密鼓地研制或试飞过程中……毋庸置疑，未来我国航空航天事业将更加繁荣，而自主创新将成为主流。所有这些均需要空气动力学作为重要基础和支撑。

风洞试验、数值模拟和飞行试验是空气动力学研究的三大手段。三种手段相互支撑、相互验证、缺一不可。由于飞行试验的高昂成本和巨大风险，各种航空航天飞行器设计中涉及的大量气动力/热问题主要依靠地面风洞试验与计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD) 数值模拟技术来解决。风洞试验目前仍是飞行器气动设计的主要手段，但是风洞试验模拟的参数范围有限，往往不能完全模拟真实的飞行状态，而且风洞试验只能对特定设计方案作出评估，不能直接给出多学科协同优化的设计方案，因而新飞行器往往带着隐含的技术风险就上天试飞了，其性能指标显然仍有较大的提升空间。计算流体动力学的发展与应用，既可以提供真实飞行参数条件下的气动数据，又可以对设计方案开展多物理场协同优化，还可以进行数值飞行，从而有效降低技术风险并优化设计方案。计算流体动力学的优势和可预期的应用潜能，引起了世界各国的高度重视。从当前国内外飞行器研制的现状和趋势可以看出，面对复杂气动问题研究和飞行器精细化设计需求，飞行器设计中空气动力学研究的总体工作量以及CFD 数值模拟研究占比均呈现出同步激增的发展态势。CFD 已经成为一种不可或缺的空气动力学研究手段，并发挥着越来越重要的作用。

另一方面，随着计算机技术的飞速发展，我们将在不久的将来迈入E 级(百亿亿次/秒) 计算时代，计算科学将发生翻天覆地的变革。计算科学在科学探索、技术和工程领域内的作用与影响将越来越突出，已经成为世界各国高度关注和重点发展的领域。2005 年，美国总统信息技术咨询委员会在《计算科学：确保美国竞争力》报告中指出：计算科学是提升国家竞争力的关键技术之一；计算科学等同于理论、实验，已成为科学探索的第三支柱；21 世纪最伟大的科学突破将是大型计算科学所获得的成就。

计算流体力学是计算科学的重要分支，也是研究和应用最为活跃的一个分支。由于流体力学是航空、航天、常规兵器和水中武器研发的公用技术和主干学科，因此计算流体力学发展不仅对武器系统研发具有全局和牵引的作用，而且对国民经济相关领域，如高速列车、风能和风工程、大型水利工程、海洋工程等也具有重要的推动作用。

计算流体力学是以计算机为工具，利用离散化的网格技术和数值计算方法求解流体运动方程，从而揭示流动机理和流动规律的新兴交叉学科。张涵信院士将计算流体力学的研究内容概括为5 个“M”和一个“A”。五个“M”分别是Machine,Mesh, Method, Mechanism 和Mapping。Machine，即计算机，它是CFD 研究的硬件基础，而并行计算技术，尤其是针对大型异构并行计算机的高效并行算法是CFD 与计算机硬件系统密切相关的研究内容；Mesh，即计算网格(或者称Grid)，网格划分是整个数值计算的基础和前提，已成为CFD 的重要研究领域，并逐步形成为一个重要的学科分支；Method，即计算方法，流体力学控制方程的求解方法是CFD 中最为活跃的领域，目前已经发展了各种各样的求解方法，如有限差分法(finite difference method, FDM)、有限体积法(finite volume method, FVM)、有限元法(finite element method, FEM) 等；Mechanism，即流动机理，CFD 的最终目的是获得飞行器的气动特性和与之相应的流动机理，如何从数值计算的“数据海洋”中分析流动机理至关重要；Mapping，即流动显示，计算结果以静、动态的图形展示出来，更加方便分析流动机理，揭示流动规律。一个“A”指Application，即应用，CFD 研究的目的是在以航空航天为代表的众多工业领域得到良好的应用，解决航空航天飞行器研制中的关键气动问题。自CFD 诞生以来，始终围绕这五个“M”向前发展，并在实际工程中得到越来越广泛的应用（“A”）。

自20 世纪60 年代以来，计算流体力学得到了迅猛发展。如果从控制方程角度和飞行器研制中工程实用程度出发，可以将CFD 划分为五个层次：第一个层次约在20 世纪60 年代，主要求解无黏、线性位势流模型。第二个层次约从20 世纪70年代起，求解非线性位势流模型。20 世纪80 年代以后，计算机软硬件技术发展迅速，尤其是巨型计算机和并行算法的出现，使得求解三维Euler/Navier-Stokes(N-S)方程成为可能。第三个层次约在20 世纪90 年代，CFD 从求解层流N-S 方程发展到雷诺(Reynolds) 平均N-S 方程(RANS)，并在西方发达国家进入实用阶段，进而成为当前飞行器设计的主力工具之一。第四个层次是求解大涡模拟方程(LES)，获得小尺度的流动细节。第五个层次是在极密网格下开展N-S 方程直接数值模拟(DNS)，获得所有尺度的流动细节。目前，第四、五尤其是第五层次尚无法达到工程实用；近年来迅速发展的以脱体涡模拟(DES) 为代表的RANS/LES 混合模拟位于第三、四层次之间，在西方发达国家已开始工业和军事应用。

全机构型的多块拼接结构网络

随着计算机软硬件技术和CFD 本身的发展，CFD 在飞行器设计中的作用越来越重要，其已贯穿于飞行器设计的全过程，从最初的概念设计、初样设计，到最终的详细设计和优化设计，CFD 均已发挥重要的作用。CFD 的地位和作用主要体现在如下几个方面：

(1) 由CFD 软件和高性能计算机相结合而形成的“数值风洞”能够快速提供飞行器气动性能分析、结构/飞控设计所需要的基础数据，进而节省研究费用，缩短设计周期；

(2) 高精度CFD 软件可以提供流场细节数据，便于流动机理分析，在空气动力学基础研究及飞行器关键气动技术研究方面可以发挥重要作用；

(3) 精细的CFD 数值模拟可以为风洞试验及试验技术发展提供支撑，如为天平和支架设计提供载荷估计，研究更加精细的洞壁和支架干扰修正方法，对风洞试验结果进行天地换算等；

(4) 以CFD 为核心的飞行器多学科多目标优化设计是未来飞行器设计的重要发展方向，“数值优化设计”的实现将全面提升飞行器综合设计能力和水平；

(5) CFD 与飞行力学和飞行控制等学科的耦合，将可以实现基于CFD 的“虚拟飞行试验”，或又称为“数值虚拟飞行”，有利于在设计初期即对控制系统进行一体化优化设计。

什么是网格生成技术？

数值计算的第一步是生成合适的计算网格，即将连续的计算域离散为网格单元，如二维时的三角形、四边形、多边形；三维情况下的四面体、三棱柱、六面体、金字塔、多面体等。网格生成技术在CFD 中扮演着极为重要的角色，张涵信院士将其列为CFD 研究的五个“M”之一，而在NASA 的CFD vision 2030 study:A path to revolutionary computational aerosciences 研究报告中，“网格生成与自适应技术”被列为未来六大重要研究领域之一，由此可见网格生成技术的重要性。在现代CFD 中，网格生成往往要占据整个计算周期人力时间的60％左右，而且网格质量的好坏直接关系到计算结果的精度，尤其是随着高精度、高分辨率格式的提出，计算格式对网格质量的要求越来越高。例如，在复杂外形湍流数值模拟中，需要在流动参数梯度大的区域加密网格，尤其在边界层内、激波附近、大范围分离区需要高质量的网格。随着CFD 应用复杂度的增加，人们逐步意识到网格生成的局限性严重制约了复杂外形的数值模拟能力，开始投入很大精力开展网格生成技术研究，从此网格生成技术成为CFD 的一个重要分支学科。

Delaunay 生成的运输机构型计算网格

网格生成技术国内研究与应用现状

由于国内CFD 研究本身起步较晚，因此关于CFD 网格生成技术的研究相对更晚。早期针对结构网格的研究主要集中在以超限插值为代表的代数网格生成方法。随着国外商用网格生成软件(如Gridgen 及后来的Pointwise、ICEM-CFD、Gridpro等) 的问世，国内的应用市场基本上被这些商业软件所垄断，因为这些软件提供了良好的交互式图形操作界面，为CFD 应用人员生成网格提供了极大的便利。针对复杂外形的结构网格生成，国内学者在学习国际先进经验的基础上，也先后发展了多块对接网格、拼接网格和重叠网格等技术。目前，这些技术在实际应用中已发挥重要作用，并趋于成熟。在空气动力学预研基金项目的支持下，中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所开展了相关的结构网格生成软件的研制，2015年年底在中心内部推出了测试版，并计划后续在国内发布正式版。

借助于商业网格生成软件及CFD 计算软件的推广，非结构网格和混合网格的应用在国内也同步发展，在实际工程中的应用已非常普遍。就CFD 非结构网格和混合网格生成技术本身的研究而言，据作者所知，浙江大学、南京航空航天大学、北京大学、西北工业大学、大连理工大学、中国空气动力研究与发展中心等单位开展了相对较多的研究工作。

在动态网格生成方面，无论是结构网格、还是非结构/混合网格，国内均有众多学者根据实际应用的需要，发展相应的动态网格生成技术，如北京航空航天大学、中国航天空气动力技术研究院、中国空气动力研究与发展中心等单位各自发展了动态重叠网格技术，南京航空航天大学、中国空气动力研究与发展中心等单位发展了动态重叠非结构网格技术，大连理工大学、中国空气动力研究与发展中心等单位发展了变形/重构耦合动态非结构/混合网格技术等。这些网格技术在复杂多体分离、飞行器动态响应等非定常数值模拟中得到广泛的应用。

总之，我国的网格生成技术在众多CFD 工作者的努力下，已取得了长足的进展，尤其是在工程应用方面，借助于国外商业网格生成软件，我们已经能生成非常复杂的几何构型的网格。然而，对比西方发达国家，我们在网格生成技术本身的研究方面仍有较大的差距，其主要表现为：①缺乏自主提出的网格生成新方法；②缺乏与国外商业网格生成软件抗衡的自主品牌软件；③缺乏该领域的专门论著。为了能够吸引年轻的CFD 工作者投身网格技术的研究，作者对二十余年来关于网格生成技术的研究工作进行了总结，希望能将自己的经验与年轻的朋友们分享，并期待更多的年轻朋友能致力于网格生成技术的研究，打造具有自主知识产权的国产品牌网格生成软件，打破国外商业软件的垄断地位，更有力地支撑我国CFD 学科和航空航天事业的发展。

《计算流体力学网格生成技术》

作者：张来平 常兴华 赵钟 赫新

责编：赵敬伟

北京：科学出版社，2017.4

ISBN：978-7-03-052315-0

长按二维码可购买本书

网格生成技术是计算流体力学( CFD)的重要组成部分，也是CFD走向工程应用的瓶颈技术。《计算流体力学网格生成技术》对CFD阿格生成技术进行了比较系统全面的介绍，内容包括：各种数值计算方法对网格的需求，静动态结构网格、非结构网格和混合网格生成技术，网格自适应技术和优化技术，多重网格计算所需肋多级粗网格生成技术，并行网格生成及网格分区技术，复杂外形的描述与表面网格生成等，附录还简要介绍了几款常用的商业网格生成软件。鉴于作者的研究领域有限，本书重点介绍了非结构、混合网格生成技术；为了本书的完整性，对结构网格也进行了简要的介绍。本书的内容主要源于作者的研究工作，少部分内容取材于参考文献和同事的论文或报告。

（本期责编：李文超）

一起阅读科学!

科学出版社│微信ID：sciencepress-cspm

专业品质  学术价值

原创好读  科学品味

点击文中书名、作者、封面可购买本书。