導讀

    「神工坊」核心技術——「SimForge HSF?高性能數值模擬引擎」支持工程計算應用的快速開發、自動并行，以及多域耦合、AI求解加速，目前已實現航發整機數值模擬等多個系統級高保真數值模擬應用落地，支持10億階+、100w+核心量級的高效求解。其低代碼開發能力，可面向復雜裝備、中小企業專用仿真場景，快速開發定制仿真應用。

    本文將通過“UAVSim無人機仿真APP”案例，帶您深入了解「神工坊」團隊，如何基于「SimForge HSF」，針對具體場景開發垂直應用，使產品經理也可上手操作無人機數值仿真。

一、客戶需求分析

    1. 行業背景

    無人機廣泛應用于軍事偵察、民用航拍、物流配送、農業植保、應急救援等諸多領域，其市場規模呈現出爆發式增長態勢。隨著應用場景的不斷拓展和深化，對無人機的性能、可靠性和安全性提出了越來越高的要求，這使得無人機的研發設計面臨著前所未有的挑戰。

    2. 客戶痛點

  ? 精確建模與分析難度大

    在空氣動力學方面，精確模擬無人機在不同飛行狀態下的氣流特性是確保飛行性能的關鍵。然而，氣流與無人機機體及旋翼之間的相互作用極為復雜，受到飛行姿態、速度、環境風等多種因素的影響，準確建模和分析難度極大。

  ? 實物試驗成本高、代價大

    在研發流程中，傳統的設計方法主要依賴實物試驗和經驗積累。但實物試驗成本高昂且耗時費力。

   ? 經驗設計研發周期長

    經驗設計在面對新型無人機的創新設計需求時，缺乏科學依據和理論支持，難以快速準確地確定最優設計方案，導致研發周期延長。

二、解決方案設計

    1. 自研網格模塊生成自適應網格

    目標：

    研發可動態調整的網格模塊，以滿足無人機不同條件下的差異化網格需求。

   

    技術方案：

   UAVSim 的網絡模塊基于自研的結構網格自適應技術（SAMR）來生成自適應網格，其具有以下幾點優勢：

    ①網格自動生成

   SAMR 技術主要基于笛卡爾網格，其網格結構相對簡單，天然適合自動生成網格。即使面對復雜的無人機幾何形狀或存在一定幾何缺陷（如輕微不平整、小空洞等）的模型，也能通過適當處理成功生成網格。

    應用場景：  

    對于多旋翼無人機復雜的旋翼結構和機身連接部分，模塊可以自動識別并生成合適的網格。在邊界處，采用脫體網格加密和合適的邊界模型（如浸沒邊界法），確保邊界條件的準確性，有效提高了網格生成的效率和質量，降低了對人工前處理的依賴。

    ②高效自適應加密

  SAMR 技術可以使網格能夠精準地集中在需要加密的關鍵區域。

  在無人機飛行過程中，根據實時監測的物理場特征（如氣流速度、壓力變化等），在氣流變化劇烈的區域（如高速飛行時的機翼前緣、旋翼旋轉區域等）快速加密網格，而在相對穩定的區域則保持較粗的網格，從而高效利用網格資源。與傳統結構化網格相比，它無需按固定維度進行加密，更加靈活；相較于非結構網格，在保持局部結構化優勢的同時，利用簡單直接的等分和合并規則實現網格重構，速度更快、效率更高。

    應用場景：  

  當無人機從平穩飛行進入紊流區域時，網格能迅速在紊流影響區域加密，準確捕捉氣流變化。

    ③多尺度特征捕捉  

   SAMR 技術能夠有效捕捉無人機飛行中的多尺度特征。

    無論是大尺度的氣流整體分布，還是小尺度的渦旋、邊界層等細節，都能通過自適應加密得到準確模擬。

    同時，由于其局部結構化特征，在適應無人機復雜幾何形狀的前提下，保證了局部計算效率與傳統結構化網格相當。

    ④計算效率提升  

    采用笛卡爾網格的 SAMR 還可大幅節約幾何描述數據，緩解眾核處理器內存帶寬瓶頸，有利于在高性能計算平臺上運行。

  SAMR 能根據不同的硬件平臺（如國產神威超級計算機或傳統 X86 架構計算機）特點，調整網格塊分辨率，充分發揮硬件性能，進一步提高計算效率。

    應用場景：  

    在使用國產神威?太湖之光超級計算機時，通過優化網格配置，實現高效計算。

無人機四旋翼側網格生成效果圖

2. LBM求解器對旋翼機體的數值仿真

目標：

實現不同工況下旋翼的高保真數值模擬，以提升無人機整體的飛行效率、機動性、穩定性和安全性。

   

    技術方案：

    LBM（格子玻爾茲曼方法）求解器：基于微觀粒子模型，將流體空間離散為規則的格子結構，通過跟蹤流體粒子在格子間的碰撞和遷移來模擬流體流動。

    在旋翼機體仿真場景下，LBM 求解器可以實現：

• 精確描述旋翼和機體的形狀和位置
• 準確獲取旋翼表面的壓力分布
• 獲取旋翼關鍵空氣動力參數
• 捕捉氣流的紊流特性和渦旋結構
• 模擬旋翼尾流的發展和傳播
• 模擬尾流與機身等部件的相互作用

    在此技術支持下，UAVSim APP中可以通過調整旋翼的幾何參數（如槳葉形狀、長度、扭轉角等）和飛行工況參數（如飛行速度、姿態角等），進行大量的數值實驗，快速評估不同設計方案對旋翼性能的影響，為優化旋翼設計提供全面而準確的數據支持。

3. 操作界面優化  

目標：

用戶界面與操作流程簡化，加強UAVSim APP的易上手性，降低產品經理等非專業仿真工程師的學習成本，提高協同研發效率。

    簡潔直觀的用戶界面與便捷操作流程：

   UAVSim 的用戶界面設計采用符合人機工程學的布局。

  

    功能模塊圖標直觀醒目：  

    主界面上，前處理、計算提交、后處理等主要功能模塊功能按鈕分類清晰且標識明確，用戶能迅速定位所需功能入口。

    應用場景：  

    在前處理模塊，用戶僅需簡單操作，即可導入無人機幾何模型，并輕松輸入各旋翼的中心坐標、旋轉速度、直徑以及前飛速度等關鍵參數。

  

三、總結

   本篇詳細解析了「神工坊」團隊針對無人機仿真場景，提供的技術解決方案——「UAVSim無人機仿真APP」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。軟件易于操作，界面設計簡潔直觀，產品經理也可輕松上手，參與高效協同研發。

   關注「神工坊」，第一時間獲取“案例分享”專欄最新內容，在即將發布的UAVSim操作教程中，我們將為您展示「UAVSim無人機仿真APP」前處理-求解-后處理全流程作業的具體操作過程，敬請期待！