天河算道论坛：高端装备复杂流场CAE技术发展创新论坛-专家精彩报告回顾（三）

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本期解读中国科学院力学研究所李新亮教授题为“高精度计算流体力学软件OpenCFD开发及应用”的报告内容。

李新亮，中科院力学所高温气体动力学国家重点实验室研究员，中科院大学岗位教授，博士生导师，中国空气动力学会物理气体动力学专业委员会副主任委员，计算物理学会常务理事。主要从事计算流体力学及湍流研究。发表学术论文100余篇；获中国科学院自然科学二等奖等奖项。

一、国内外计算流体力学软件发展

目前，CFD在航空航天、海洋、工业生产以及科研探索中发挥重要作用。大量的风洞实验已经被CFD计算所替代，并且随着“天河一号”、“新一代百亿亿次超级计算机”所带来的超级计算性能提升， CFD的使用比例也不断升高。计算流体力学依赖于CFD软件，用户对于CFD软件的功能需求也在不断提升。

当前，在通用商业CFD软件方面，我国市场几乎完全被国外垄断，国内商业CFD发展基本上处于空白阶段。在专业CFD软件方面，我国开展了一些研究工作，并且在算法、模型、网格等局部领域也都发展出自身特色，但整体上与国外相比尚有差距。

图1 主流商业计算流体力学(CFD)软件

复杂流动高分辨率计算的实现，例如大型飞机减阻、降噪，需要将流场精细刻画，因为湍流的涡结构是产生阻力和噪声的根源。又如运载火箭导弹的转捩位置和热防护计算、吸气式高超声速飞行器的激波-湍流边界层干扰和湍流混合计算、气动光学问题等，都需要对流场进行高分辨率的模拟。

二、OpenCFD软件开发和应用

OpenCFD是一套高精度、开放的CFD程序，主要应用于复杂流动高分辨率计算。软件主要分为OpenCFD-SC、OpenCFD-EC和OpenCFD-Comb三个部分。OpenCFD-SC，高精度有限差分求解器，算法基于高精度差分，其特点是精度高，适用于湍流DNS及LES等外形相对简单但流场复杂的条件。OpenCFD-EC，多块结构网格有限体积求解器，算法基于多款结构网格有限体积+Rans，适用于复杂外形工程计算。OpenCFD-Comb，化学反应流动求解器，算法基于高精度差分法。

图2 基于OpenCFD的轴向截面的瞬时温度轮廓可视化

同时，针对通过超级计算提高CFD计算效率的实际需求，OpenCFD程序也被进行了异构并行移植及优化，OpenCFD-SC在大规模测试计算上取得了较好结果。OpenCFD已经被北大、清华、中科大、北航、南航、天津大学、国防科大等高校以及中国空气动力研究与发展中心、航天三院、航天一院、航天十一院等三十余家科研单位的上百个研究小组使用，在顿锥体转捩DNS、ONEAR-M6翼、条纹壁控制转捩、激波/边界层干扰和超声速射流燃烧DNS等方面开展应用，并荣获中科超算规模奖、中科超算最佳应用奖等多个科技奖项。

图3 顿锥体转捩DNS应用

图4 超声速射流燃烧DNS应用

三、结束语

CFD在空天海洋、工业生产以及科研探索中逐渐成为不可或缺的工具，我国在专用CFD软件上已经逐步发展出自己的特色，同时在使用过程中对计算资源、计算环境提出了较高需求。

国家超级计算天津中心依托国家重点研发计划“高端装备复杂流场自主CAE一体化平台”项目，联合合作机构打造自主CAE一体化平台，通过统一资源接口、建模集成化模块、参数化数据结构，易于集成OpenCFD等各类求解器、计算程序，可为工业设计研发、企业生产提供便捷高效的CAE仿真服务。国家超级计算天津中心将不断寻求突破，为推动国产CAE软件的发展而努力！