技術分享︱極大規(guī)模整車氣動數(shù)值模擬——構筑數(shù)字風洞基礎框架原創(chuàng)

神工坊（高性能仿真）

2025年10月15日 15:42

技術分享︱極大規(guī)模整車氣動數(shù)值模擬——構筑數(shù)字風洞基礎框架的圖1

摘要

本應用基于神威·太湖之光超級計算機與自研自適應加密網(wǎng)格框架（SAMR[1]）完成了某真實汽車模型的氣動仿真數(shù)值模擬。為提高計算精度與效率，采用了8層網(wǎng)格加密，網(wǎng)格規(guī)模約10億量級、并行規(guī)模在50萬核并行規(guī)模。流場數(shù)值求解器則是采用了自主研發(fā)的非定常格子玻爾茲曼流場求解器（LBM[2]，Lattice Boltzmann Method）與采用簡單的Smagorinsky湍流模型。所計算的Ahmed標準車模阻力系數(shù)與實驗高度吻合，具備了工程應用能力。

一、背景

在汽車設計和改型中，數(shù)值計算和風洞試驗是評估氣動性能的兩大手段。風洞試驗模型制作和試驗實施的周期長，成本高，因此如何減少風洞實驗次數(shù)，提高汽車設計效率，一直是汽車設計及空氣動力學領域研究的重點。

數(shù)字風洞即風洞的數(shù)字化，是遵循數(shù)字孿生理念，通過高保真數(shù)值計算、機器學習等技術手段，將物理風洞試驗設施和試驗過程1:1還原到數(shù)字世界，從而具備實施高置信數(shù)字風洞試驗的能力。通過數(shù)字風洞試驗，可以取代部分早期風洞試驗車次和部分風洞試驗，從而緩解風洞試驗成本高、周期長與旺盛試驗需求之間的矛盾。

神工坊?技術團隊依托我國最先進的國產(chǎn)自主超級計算機神威·太湖之光，自主研制了結構網(wǎng)格自適應框架（SAMR[1]）與格子玻爾茲曼流場求解器（LBM[2],Lattice Boltzmann Method)，形成了自主數(shù)值風洞軟硬件基礎框架，可以高效地為汽車氣動仿真賦能。

二、方法

下面對40m/s(或144km/h)速度下的Ahmed標準汽車模型（25°后背角）與某實車模型進行數(shù)值模擬。

（1）網(wǎng)格生成：

采用自主開發(fā)的結構網(wǎng)格自適應加密框架，可對汽車中復雜幾何表面以及流場變化劇烈的地方進行自動加密。

（2）流場求解器：

采用自主開發(fā)的基于多層加密格子玻爾茲曼方法的流場求解器，具有并行效率高且易于處理復雜幾何等優(yōu)點。

（3）湍流模型：

選用Smagorinsky模型，它是一種簡單的大渦模擬模型，且易于在格子玻爾茲曼方法中實現(xiàn)。

三、結果

（1）汽車模擬驗證

1.1 網(wǎng)格規(guī)模：

網(wǎng)格規(guī)模6.2億，采用了8層網(wǎng)格加密。并行規(guī)模約13萬核（含主核與從核)。注:這里采用6億網(wǎng)格主要是為了驗證大規(guī)模計算能力，在小規(guī)模網(wǎng)格的算例中我們也得到了與實驗基本吻合的阻力系數(shù)。

1.2 速度場：

圖1 Ahmed車模瞬時速度云圖。后背角為25°，來流速度40m/s。

圖1中給出了流場完全發(fā)展后的速度場瞬態(tài)云圖，可以看到車模表面進行了更為精細的網(wǎng)格加密。

1.3 阻力系數(shù)：

圖2 Ahmed車模阻力系數(shù)隨時間的變化。后背角為25°，來流速度40m/s。

可以看到，我們的計算結果與實驗結果吻合的很好。表1給出了我們的阻力系數(shù)與Fluent、PowerFlow等商業(yè)軟件的比較，可以看到我們的計算誤差最小。同時也可以看出，PowerFlow與我們的結果明顯優(yōu)于Fluent計算結果，這也間接說明LBM方法在車模計算中是優(yōu)于FVM方法的。

表1 Ahmed車模阻力系數(shù)比較。后背角為25°，來流速度40m/s。

（2）實車仿真

2.1 網(wǎng)格規(guī)模：

網(wǎng)格規(guī)模6.7億，采用了8層網(wǎng)格加密，其中汽車表面附近做了3層網(wǎng)格加密，能更好的捕捉汽車幾何特征以及汽車前后緣的大速度梯度等特征。并行規(guī)模約46.8萬核（含主核與從核）。

2.2 速度場：

圖3 某實車模型瞬時速度云圖。來流速度40m/s。

圖中給出了流場完全發(fā)展后的速度場瞬態(tài)云圖，可以看到車模表面進行了更為精細的網(wǎng)格加密。

2.3 阻力系數(shù)：

圖4 某實車模型阻力系數(shù)隨時間的變化。來流速度40m/s。

可以看到，流場完全發(fā)展后，某實車模型阻力系數(shù)約為0.258。

四、特點

（1）結構網(wǎng)格自適應：

網(wǎng)格自適應加密是本應用的主要特點。通過網(wǎng)格自適應，可以對幾何外形復雜的區(qū)域以及流場變化劇烈的地方著重加密。在我們的結構網(wǎng)格自適應加密框架下，只需要讀入汽車幾何外形信息，會自動在外形復雜以及流場變化劇烈區(qū)域自動加密（如圖5自適應網(wǎng)格效果圖），在提高計算精度的同時大大節(jié)省了人力成本。另外值得一提的是，我們生成的網(wǎng)格是分布式的，這非常適合大規(guī)模并行計算。

圖5 某車模算例中的網(wǎng)格自適應效果圖

（2）眾核加速二級并行：

本應用的另一個特色是大規(guī)模并行效率高。為了適配國產(chǎn)神威太湖之光超級計算機，本數(shù)值求解體系從設計之初就融入了主從核異構并行體系，在進行流場數(shù)值求解時能充分發(fā)揮異構計算機的主核與從核性能。例如，本次汽車模擬算例就采用了7200核組（包含7200*64=46.08萬從核）。此外通過測試，發(fā)現(xiàn)7200核組相對3600核組，算例獲得了幾乎翻倍的性能，表明當前的算例大規(guī)模并行效率非常的優(yōu)異。

（3）求解器代碼精簡：

求解器代碼精簡也是本應用的主要特色。此次求解器采用的LBM流場求解器只涉及幾百行代碼。由于求解器是基于我們自研的SAMR框架，該框架底層封裝了異構并行，對離散層開放了“迭代器+算子”接口，用戶只需要設計自己的求解器算子，代入對應的迭代器（空間遍歷器）即可完成空間迭代計算。這里算子結構往往十分精簡（如圖6，復雜的空間遍歷與異構并行都被封裝到迭代器內(nèi)部，因而基于這種模式開發(fā)的求解器代碼往往非常精簡易用。）