摘要

    日前，2024 年度上海市科學技術獎已正式揭曉，國家超級計算無錫中心 神工坊? 團隊研發的《兼容國產異構超算的航空發動機低排放燃燒和傳熱并行仿真技術及軟件研制》項目，榮獲科技進步獎二等獎。這一獎項是對團隊在高端仿真技術領域創新成果的高度認可，也彰顯了國產超算在航發重大工程應用中的突破性進展。

獎項概覽：上海市科學技術獎

  上海市科學技術獎是由上海市人民政府設立的科學技術獎項，重點獎勵科學發現、技術發明及促進經濟社會發展的重大科技成果，設科技功臣獎、青年科技杰出貢獻獎、自然科學獎等七個類別，其中自然科學獎、技術發明獎、科技進步獎均設一等獎、二等獎（特等獎需特別貢獻）。

  根據《上海市科學技術獎勵規定》（2023年滬府令8號），通過市科學技術獎評審委員會評審，市科學技術獎勵委員會審定，經上海市人民政府批準，2024年度上海市科學技術獎授獎206項（人），國家超級計算無錫中心 神工坊? 團隊名列其中。

圖片來源：上海發布

項目介紹：

兼容國產異構超算的航空發動機低排放燃燒和傳熱并行仿真技術及軟件研制

項目概述：

  項目基于國家超級計算無錫中心 神工坊? 技術團隊自主研發的 SimForge HSF? 高性能數值模擬引擎，構建了基于國產超算的航空發動機燃燒與傳熱并行仿真軟件，并成功對該軟件進行了高性能改造，使其網格規模和并行規模均提升超2個量級，達到10億網格和100萬核心。通過接入UNAP高可擴展代數求解庫，更實現了10億階矩陣隱式求解，同等并行規模收斂效率提升超20倍。

不同迭代步長下的瞬時溫度等值線圖，環形燃燒室的切片顯示了溫度場的明顯特征

項目優勢：

1. 該軟件提出了面向航空發動機燃燒室工程應用的氣液兩相湍流燃燒計算模擬方法及仿真全流程解決方案。

• 流動方面：

        采用非結構網格和有限體積法離散，采用基于壓力的求解方案，同時提供RANS和LES兩類模型；

• 燃燒方面：

        同時具備簡單化學反應EDM和復雜化學反應FGM燃燒模型，同時支持液相連續流場和離散流場描述；

• 流固熱耦合方面：

        采用弱耦合方式，通過流動求解器和固體傳熱求解器之間進行交界面上的溫度、熱流等傳遞實現氣熱耦合計算；

• 高性能計算方面：

        實現了基于國產神威超算的100萬核心并行和10億級網格求解，采用其中多級并行的穩定雙共軛梯度算法和代數多重網格算法，實現了高效并行隱式求解。

2. 該軟件率先實現了自主軟件在真實型號上的應用。

    國產軟件在民用渦扇航空發動機燃燒室啟動熱力設計場景中的測試驗證與實際應用，目前實現了對火焰筒冷卻、噴嘴吹掃、旋流器開孔、燃油霧化等燃燒室日常設計場景的全覆蓋。

3. 該軟件計算精度與商業軟件相當。

    壓力損失、流量分配與可靠試驗數據偏差在±10%以內，出口溫度分布系數RTDF的徑向分布趨勢與可靠試驗數據一致，峰值偏差在±15%以內，出口污染物NOx排放量與試驗測量結果趨勢一致。

4. 該軟件分辨率和并行規模超越商業軟件。

    基于國產神威超算的100萬核心并行和10億級網格求解，大幅超越可用的國外商業軟件。

5. 該軟件打破商業軟件功能限制。

    目前商業軟件由于功能和并行規模限制，尚不能支持全環燃燒室非定常模擬，本軟件是少有的點火、熄火和燃燒穩定性分析自主工具之一。

深厚積累：神工坊?團隊的航發仿真研發之路

    2023年，國家超級計算無錫中心研發團隊參與的研究課題——《基于神威超算的超大規模高精度航空發動機氣動熱力學模擬》獲ACM“戈登·貝爾”獎提名，證明了利用大渦模擬來解決航空發動機復雜流動的可行性，標志著我國在航發整機高精度模擬方面邁入國際先進行列。

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高壓渦輪導向葉片吸力面上的溫度分布，展示了冷卻氣體經冷卻孔噴射后的冷卻效果

    2024年，神工坊? 團隊進一步在航發燃燒仿真領域取得關鍵突破，實現了全環形航空發動機燃燒室湍流燃燒的大規模并行模擬，為觀察真實火焰波動、捕捉非定常現象提供了更真實的全新視角。

(a) 實驗環形燃燒室的 CAD 模型；(b) 表面網格

    當前，《在“神威·太湖之光”超級計算機上隱式航空發動機整機的大規模并行模擬》的最新研究，則驗證了在“神威·太湖之光”超級計算機上，利用完全隱式非結構化求解器，進行航空渦輪風扇發動機全三維流動和燃燒的大規模模擬的可行性，為實現全發動機的高精度數值模擬提供技術突破及理論支持。

壓力與溫度分布的仿真結果

    從部件到整機、從理論方法到軟件應用，這些在航發仿真領域取得的一系列突破，不僅驗證了 神工坊? 團隊在高性能并行計算與多物理場耦合等方面的技術深度，更為其技術成果向更廣闊的航空航天應用場景拓展奠定了堅實基礎。

結語

  此次獲獎，是國家超級計算無錫中心 神工坊? 團隊堅持技術自主研發、服務國家重大戰略的又一成果。未來，神工坊? 團隊將以高性能計算、人工智能、云計算等先進計算技術，持續推動新一代CAE技術革新。