數字風洞 是一種基于計算機仿真的先進技術，用于模擬飛行器等對象在各種氣流條件下的性能和行為。與傳統風洞相比，數字風洞可以大幅降低傳統物理風洞實驗的成本和時間，彌補物理風洞尺度和洞壁干擾上的不足，并且能夠提供更加精確的數據和細節，為產品設計和優化提供有力支持。

1 工作原理

首先，讓我們來了解一下數字風洞的工作原理。

數字風洞運用數值計算方法和計算流體力學（CFD）技術，將試驗對象的幾何形狀和運動參數輸入計算模型中，通過計算模型的求解，模擬飛機、汽車、建筑等物體在流場中的運動行為，預測和評估其在實際環境中的性能表現。

全機計算結果示意圖

2 國內外技術現狀

過去，諸如美國、德國和日本等國外發達國家在數字風洞技術領域中一直處于主導地位。

在歐洲，由德國宇航中心（DLR）主導實施的Digital-X項目，致力于研發一個面向航空裝備的大規模并行多學科分析優化設計平臺，推動實現了航空航天飛行器數字化設計的轉型升級。

21世紀以來，日本在數字風洞建設方面也取得了實質性進展。早在1990年代，日本宇宙航空開發機構（JAXA）成功建設了第一代和第二代數值風洞。近年來，日本推出了一種由數值仿真和可視化兩部分組成的數字風洞系統，其峰值運行速度可達9.7萬億次/秒。在后續的發展中，該系統逐步與實體風洞相結合，形成了一種名為“Hybrid Wind Tunnel”的集成風洞 （如下圖所示）。通過該系統，可以在數字空間近乎完全復現裝備研制中的風洞試驗過程，利用高性能計算機、CFD軟件開展數值模擬，進行試驗方案設計以及關鍵流動問題分析。

日本“Hybrid Wind Tunnel” 

在我國，上世紀90年代，中國空氣動力研究與發展中心張涵信院士提出以“5M+1A”（硬件、網格、方法、機理、顯示、應用）為內涵的數值風洞概念，極大地推動了國內理論、方法、軟件等方面的進步，并為我國民用工業裝備的研制提供了重要的工具支撐。

目前，國內的一些高校和研究機構正積極開展數字風洞領域的研究工作，與此同時，國內的企業也紛紛加大了對數字風洞技術的研發投入 ，取得了一系列重要進展。

3 數字風洞優勢

數字風洞具有顯著優勢，其通過計算機能夠模擬出各種復雜的飛行條件和氣流場景，同時對飛機等裝備的結構和性能進行全面且準確的分析。此技術極大地縮短了研發周期和成本，并為設計者提供了更大的設計自由度和優化空間。

近年來，我國在超級計算機領域取得了重要突破，擁有了世界領先水平的超算能力。2022年8月26日，“基于國產超級計算機的民用裝備數字風洞云平臺關鍵技術研發”正式獲得江蘇省產業前瞻與關鍵技術攻關重點項目立項，順利召開項目啟動會。

該項目由國家超級計算無錫中心牽頭，中國空氣動力研究與發展中心計算空氣動力研究所、遠景能源有限公司、中航通飛華南飛機工業有限公司、西北工業大學共同承擔

項目團隊旨在建立與物理風洞1:1還原的數字孿生風洞，充分利用網格自適應框架與先進國產超級計算機的結合優勢，實現大規模、高精度、高效率的模擬計算，實現物理實驗數據、“直接數值模擬”數據與物理模型的一致校正，提升業界典型流體力學問題模擬的精度和效率水平。

團隊深入研究與國產超級計算機架構深度融合的多層分布式自適應網格框架，充分發揮“神威·太湖之光“的超強計算能力；高效實現針對復雜幾何的網格快速自動生成以及多尺度流動現象的網格自適應加密技術。同時，團隊研究網格自適應條件下的動態負載均衡技術，以提高并行效率。

數字風洞通過以物理風洞為藍本構建1:1的孿生數字模型，全面采用高保真數值模擬、基于物理試驗數據和高置信度數值數據的機器學習湍流模型以及依靠超級計算機的算力支撐，提升數字風洞與物理風洞的一致性，從而達到將物理風洞試驗搬到數字世界的目的，以形成成本、技術、業務流量優勢，滿足市場需求缺口、發掘潛在需求，促進工業技術數字化轉型升級。

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