使用Fidelity LES求解器解决高速射流模拟挑战

本文翻译转载于：Cadence Blog

作者：Veena Parthan

模拟高速射流既是一项技术挑战，也是流体动力学领域一个激动人心的研究前沿。随着航空航天技术的发展，尤其是在超音速和高超音速飞行领域，深入了解这些极端速度下流体运动的复杂行为变得越来越重要。当速度超过 1 马赫时，气动力的性质会发生显著变化，从而产生激波。这些激波会形成特定的流动模式，从而显著影响飞机的性能、稳定性和机动性。

当飞行速度达到 3 马赫及以上时，尤其是在超燃冲压发动机中，摩擦和压缩引起的温度变化可能会超过 1500 摄氏度。如果在设计中没有充分考虑这种极端的热环境，可能会导致材料疲劳和失效。借助 Fidelity LES Solver（原名为 Cascade CharLES）等计算流体动力学（CFD）工具，研究人员现在可以以前所未有的精度探索高速飞行的物理特性。

但是，如何才能精确模拟这些极端工况？我们该如何应对这些模拟带来的诸多挑战？本文将带你探索模拟高速射流的挑战，展示 Fidelity LES 求解器的功能，并通过案例研究凸显其潜力。

高速射流模拟的挑战

高速射流模拟面临着众多挑战，这些挑战源于温度、压力和湍流之间复杂的相互作用。在高雷诺数下，湍流变得难以预测，需要强大的算法和高性能计算才能获得准确的结果。

主要挑战之一是捕捉压缩性效应。在高速下，密度的变化以及与冲击波的相互作用会显著改变流动行为，因此精确建模至关重要。此外，高速射流内复杂的流动结构需要有效的湍流建模；在精度和计算效率之间找到适当的平衡仍然是一个重大挑战。

其他重要方面包括传热和数值稳定性。剧烈的温度梯度需要精心定义的边界条件，以防止模拟中出现反射伪影。虽然高分辨率方案对于捕捉这些梯度至关重要，但它们通常会增加计算成本。

噪声预测在声学分析中至关重要。精确的喷气噪声建模需要将流动模拟与气动声学模型相结合，以有效捕捉各种环境中的声音传播。此外，燃料喷射的加入增加了复杂性，需要建立稳健的混合模型，因为燃料的特性会影响喷气机的整体性能。

此外，利用实验数据进行验证的挑战也不容忽视。有限的实验基准通常意味着模拟必须基于不完整的数据和不同的假设，这使得验证过程更加复杂。

这些挑战共同凸显了对先进计算工具和可靠高性能计算基础设施的需求，以提高高速射流模拟的准确性和效率。

解决方案：Fidelity LES 求解器

Fidelity LES 求解器是一款专为高超音速和超音速流动模拟而设计的高保真计算流体动力学（CFD）分析工具。这款创新工具将大涡模拟（LES）扩展到关键的航空航天应用领域，解决了极端流动条件下面临的独特挑战。它结合了先进的数值方法、高质量的网格生成和卓越的可扩展性，适用于极端航空航天环境中的大涡模拟（LES）。

Fidelity LES 求解器的主要亮点包括：

● 多面体网格生成：该工具利用先进的裁剪 Voronoi 图，即使对于复杂的几何形状也能实现稳健高效的网格划分，从而确保精确且可扩展的模拟。

● 可扩展性：Fidelity LES 旨在在 CPU 和 GPU 高性能计算系统上无缝运行，能够高效地提供高分辨率结果。

● 预测性高保真模拟：凭借先进的算法，它能够以无与伦比的精度捕捉高速射流的复杂物理特性，从冲击波相互作用到声波传播。

案例研究：探索非线性声波

高速射流的累积非线性声波形畸变（J.Fluid Mech., 2014）

为了展示 Fidelity LES 求解器的功能，我们进行了一个案例研究，模拟高速射流并分析其声学特性。该研究的主要目标是分析非线性声波形在出口马赫数为 3 的喷嘴中的传播，并用实验数据验证这些结果。

设置

● 使用 Fidelity LES 理想气体求解器模拟可压缩流动。

● 1E-7 秒的时间步长确保了时间分辨率。

● 在 Cadence Millennium 平台上，使用一个包含 8 个 GPU 的 GPU 节点，在 60 小时内实现了 0.1 秒的物理时间仿真。

● 使用位于 x/Dj = 20 处的麦克风记录噪声，截止频率约为 54kHz。信号清晰度得益于重叠度为 50% 的汉宁窗。

背景网格为 100 毫米，喷嘴处网格细化至 0.4 毫米（首层网格厚度）。

结果与洞察

模拟结果与实验数据高度吻合，凸显了求解器的预测准确性。虽然观察到谱分辨率存在一些差异（归因于数据平滑方法的差异），但模拟捕捉到了关键趋势并验证了实验结果。低频噪声（St < 0.03）的变化与影响实验声传播的隧道反射有关。

Fidelity LES 与实验的远场噪声结果比较

Fidelity LES 的流量马赫数

展望未来

高速射流模拟仍然是理论研究和实际航空航天创新的关键纽带。通过使用 Fidelity LES 求解器等工具解决这些流动的固有复杂性，研究人员正在为更安静、更高效的飞行系统以及高超音速飞行的突破性进展铺平道路。