航空航天工業作為國家綜合實力的重要標志，同時也是現代工程技術的典范之一。 當前，科技創新與產業換代為主的新一輪工業革命正在全球展開，國家“十四五”規劃綱要明確提出，要加快建設制造強國、網絡強國、數字中國，構建數字驅動的產業新生態，以數字化轉型整體驅動生產方式變革 ^[1] ，同時，我國社會經濟的發展和國防能力的提升也對航空航天行業提出了更高的要求。

在航空航天研制的全過程中， 仿真技術一直發揮著提高研制效率和質量、減少實物試驗反復、降低研制風險和成本以及加快研制進程的重要作用。

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航空航天工業仿真的關鍵技術

1流體力學仿真

計算流體力學是通過數值方法求解流體力學控制方程，并預測流體運動規律的學科，在航空航天中主要應用于航空發動機。由于航空發動機的進排氣、風扇、壓氣機和渦輪都是內部流動，因此在航空發動機中主要進行的是內流計算流體力學研究。[2]

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2動力學仿真

利用仿真技術，對航空航天器的運動過程進行模擬，以預測其飛行軌跡、姿態等關鍵動力學特性，從而為飛行控制和導航系統的設計與優化提供堅實可靠的科學依據。

3結構強度仿真

通過仿真技術，對航空航天器的結構進行模擬和分析，預測其受力、變形等性能。結構強度仿真應用計算結構力學，計算從零件到部件、組件、分系統以及整臺航空發動機的結構性能。

圖片來源：第十三屆中國國際航空航天博覽會

4燃燒仿真

計算燃燒學是對燃燒的基本現象和實際過程進行計算機模擬的一門學科，為深入認識航空發動機燃燒過程和燃燒裝置的設計及研制提供了重要手段。當前，燃燒數值仿真技術進一步朝著系統級高保真的方向發展。

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材料仿真

材料仿真是指通過模擬材料的組成、結構、性能及服役性能，研究材料從納觀、微觀、介觀到宏觀的多個尺度范圍內存在的各類現象與特征，從而預測材料的結構和物化性質，是航空航天材料設計、優化與實踐的重要手段。

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CAE仿真技術在航空航天中的應用

1飛行器設計與優化

在飛行器的設計過程中，CAE仿真技術扮演著至關重要的角色，它可以幫助工程師們進行飛行器外形設計、氣動性能分析、結構強度驗證等一系列重要任務。通過數值模擬和虛擬試驗，工程師們可以在計算機環境下進行快速、準確的仿真優化，確保飛行器設計能夠達到最佳性能。

2飛行器飛行控制

飛行控制是保證飛行器安全飛行的關鍵要素之一。CAE仿真技術可以幫助研發人員進行飛行控制算法的開發和測試。通過在計算機環境中建立精確的模型，模擬各種飛行環境和異常情況，幫助改進飛行控制系統的魯棒性和可靠性。

3空中交通管理

隨著航空交通量的增加，有效的空中交通管理顯得尤為重要。仿真模擬技術可以幫助分析和優化空中交通管制系統，通過建立虛擬的航空交通網絡，模擬各種交通流量情況，提供合理的航線規劃和交通流調度，以提高空中交通的效率和安全性。

4天氣和環境影響分析

天氣和環境條件對于飛行器的安全性和性能有著重要影響。仿真模擬技術可以幫助分析氣象因素對飛行器的影響，預測惡劣天氣下的飛行性能和操作限制。同時，還可以模擬各種環境條件，如空氣密度等，以準確評估飛行器在各種環境下的性能。

神工坊在航空航天領域的應用案例

1 多學科優化并行工作流構建及超算移植加速

當前，航空航天工程中的仿真技術趨向于更高的精細化和多學科集成。利用高性能計算和先進的模擬軟件，可以實現更精確的仿真結果和更真實的飛行體驗。同時，不同學科的仿真模擬也將更加緊密地集成，實現全面的飛行器設計和測試。

2024年4月19日，“十四五”國家重點研發計劃“高性能計算”重點專項“面向新一代國產超算系統的民用飛機多學科聯合設計優化技術與軟件”項目啟動暨實施方案論證會在無錫順利召開。

神工坊團隊負責的“多學科優化并行工作流構建及超算移植加速”課題，依托自主研發的高性能多域多物理場數值模擬框架，深入研究多學科聯合優化計算過程中的性能熱點，從多個層面提煉眾核加速共性算法，實現多種異構超算平臺上的多學科優化軟件適配與維護。

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2商業軟件適配優化 

企業突發緊急任務，神工坊團隊在最先進硬件上對所使用的商業軟件進行適配優化，使其性能相對原來提升10倍，為企業有效保障了任務時間節點。

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3某燃燒模擬程序

某航空發動機企業，需要完成航空發動機全環燃燒模擬，網格數達到億級，并行規模達到萬級，但是目前使用的軟件無法支持。

通過對軟件架構、數據結構和并行算法等多方面的改造，最終實現網格規模和并行規模提升超2個量級，達到10億網格和100萬核心。

4航發整機全流道數值模擬

航發多級風扇、壓氣機和燃燒室是典型的多域多物理問題，神工團隊采用優化的滑移耦合器，使得并行幾何匹配和數據傳遞時間縮短65倍以上。

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5無人機仿真應用定制

某無人機制造商擬定制一款仿真軟件，神工坊依托自主研發的仿真定制框架和高性能計算技術，針對用戶在復雜產品設計、復雜環境評估等場景下的特定仿真需求，打造出一款高度易用、高效求解、精確可靠的無人機仿真App。該軟件為用戶提供了完整的幾何清理功能，通過自研的網格模塊，根據無人機真實工況生成自適應網格，進而利用LBM求解器進行計算，實現了對旋翼機體的數值仿真。這款軟件易于操作，界面設計簡潔直觀，產品經理也可輕松上手。

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1. CAE技術賦能無人機 低空經濟蓄勢起飛

仿真技術作為航空航天工業創新研發的重要支撐，是實施數字化轉型的核心。未來，在高性能計算、人工智能等先進計算技術的加持下，航空航天仿真技術將朝著“快速高效、精準映射、全面覆蓋、動態預測”方向發展。^[3]

神工坊源自國家超級計算無錫中心（始于2016年），核心技術為歷時8年、投入數千萬元、在先進超級計算平臺上研發的，面向工程仿真的高性能計算技術——高性能數值模擬框架。

近年來，神工坊通過與國內頂尖高校、科研院所及行業重點企業的緊密合作，在聯合科技攻關、科技創新資源的整合等方面取得了豐碩的成果，為推動我國工業仿真技術的跨越式發展，以及重大裝備研制創新和工業設計研發數字化轉型提供了有力支撐。

參考文章

1.國務院. 中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要[EB/OL]. (2021-03-13)[2022-12-20].

2.曹建國. 航空發動機仿真技術研究現狀、挑戰與展望[J]. 推進技術, 2018, 39(5): 961-970.

3.曹建國. 數字化轉型下航空發動機仿真技術發展機遇及應用展望[J]. 系統仿真學報, 2023, 35(1): 1-10.