基礎(chǔ)通用CFD軟件開發(fā)的五個(gè)難點(diǎn)

作為國家重要基礎(chǔ)工業(yè)產(chǎn)品的國家數(shù)值風(fēng)洞（NNW）工程起源于2018年。NNW項(xiàng)目致力于開發(fā)國產(chǎn)CFD研究與應(yīng)用領(lǐng)域的自主戰(zhàn)略性工具，專注于以氣動(dòng)計(jì)算為核心，功能覆蓋網(wǎng)格生成、流動(dòng)求解、多學(xué)科計(jì)算、流場(chǎng)可視化以及可靠性分析等CFD分析全鏈路。NNW項(xiàng)目的核心是綿陽國家空氣動(dòng)力研究中心開發(fā)的通用非結(jié)構(gòu)求解器風(fēng)雷（PhengLEI）。以風(fēng)雷為原型，以NNW項(xiàng)目作為支持已經(jīng)派生了FlowStar低速流動(dòng)求解器，HyFlow高速流動(dòng)求解器等多學(xué)科領(lǐng)域的高性能求解器。

于名于實(shí)“風(fēng)雷”都是國家基礎(chǔ)通用CFD工具最恰當(dāng)?shù)拿帧?/p>

為何現(xiàn)在才開發(fā)出來基礎(chǔ)通用CFD工具呢？有幾個(gè)數(shù)據(jù)作為參考：

與國家空氣動(dòng)力中心分立在綿陽城東西兩翼的中國工程物理研究院在近六十年前的1964年成功爆炸了第一顆原子彈。如果從1957年立項(xiàng)來說，所用時(shí)間為7年。氫彈所用時(shí)間為不到3年。

比肩F22的隱身戰(zhàn)斗機(jī)殲20從研制到首飛不到10年時(shí)間。

為何國力雄踞全球第二的今天，大國重器數(shù)不勝數(shù)，基礎(chǔ)通用CFD工具才剛羽翼初豐呢？

答案非常簡單：基礎(chǔ)通用CFD工具研發(fā)是屬于國家工業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)，代表了一個(gè)國家工業(yè)實(shí)力的重要一環(huán)。從重要性上來說，類似于全民醫(yī)保，國家電網(wǎng)等重要基礎(chǔ)民生項(xiàng)目建設(shè)。同時(shí)它是一項(xiàng)具有超高難度的跨學(xué)科的重要科研項(xiàng)目。

困難之一：需持之以恒，非國家隊(duì)不辦。

核心求解器的開發(fā)需要CFD專業(yè)的頂級(jí)人才，嘔心瀝血，三五年搭臺(tái)，七八年打磨，十年才能初見成效。無論是從團(tuán)隊(duì)構(gòu)成，人員穩(wěn)定來說，只有國有科研單位才能完成。美國著名的求解器，究其來源多數(shù)來源于國立實(shí)驗(yàn)室。

困難之二：需博采眾長，非多學(xué)科匯集不成。

很多高校都開發(fā)了自己的Inhouse求解器。Inhouse求解器與通用基礎(chǔ)求解器的差異大約相當(dāng)于個(gè)人的家宴與麥當(dāng)勞的快餐供應(yīng)鏈之區(qū)別吧。下圖是風(fēng)雷的軟件框架：

大型基礎(chǔ)CFD的架構(gòu)設(shè)計(jì)某種意義上比求解器精度設(shè)計(jì)要重要的多，因?yàn)檐浖軜?gòu)設(shè)計(jì)牽涉到整個(gè)項(xiàng)目的成敗，求解器精度倒是可以日日打磨，時(shí)時(shí)進(jìn)步的。編寫CFD求解器的專業(yè)人員，未必熟悉CFD各種數(shù)據(jù)對(duì)象的最佳抽象和表示，更不一定了解里氏替換原則，但是這是IT技術(shù)的基本功。

困難之三：需以實(shí)驗(yàn)虛，非試驗(yàn)驗(yàn)證過程不可。

一個(gè)普通的流體算例動(dòng)輒有十個(gè)以上參數(shù)（比如湍流模型）影響精度。雖然國際上也有公布的較為可信的流體試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是對(duì)于所使用的領(lǐng)域如果沒有自主試驗(yàn)數(shù)據(jù)做校核，就失去了基本的自主度量標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

困難之四：需快馬加鞭，非并行計(jì)算不行。

高精度高分辨率的三維湍流流動(dòng)求解是超級(jí)計(jì)算機(jī)最常見的標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證測(cè)試。高性能的區(qū)域分解技術(shù)、并行適配技術(shù)是現(xiàn)代高性能CFD求解器的標(biāo)志。一句話，算得再準(zhǔn)只有科學(xué)價(jià)值，必須要算得快才有實(shí)用價(jià)值。流體求解器從科研走向應(yīng)用，HPC技術(shù)是必需的臺(tái)階。

困難之五：需可信可靠，非VVUQ過程不信。

VVUQ是驗(yàn)證確認(rèn)與不確定性度量的縮寫。VVUQ有多困難呢，可以看個(gè)例子：

函數(shù)Y=A*X2+B*X+C是一個(gè)簡單的初等二次函數(shù)，假如A、B、C服從各自獨(dú)立的高斯分布，請(qǐng)問如何獲得Y的分布？

如果把Y的表達(dá)式換為NS方程組的話，怎么獲得Y的分布呢？這個(gè)問題即便是統(tǒng)計(jì)學(xué)專業(yè)畢業(yè)，如果是頻率學(xué)派的話，其實(shí)也不太容易找到最佳方案。

風(fēng)雷項(xiàng)目工程從驗(yàn)證與確認(rèn)方法、數(shù)據(jù)和工具三個(gè)方面開展了大量工作，構(gòu)建了完整的驗(yàn)證與確認(rèn)體系。無論是流體分析還是結(jié)構(gòu)分析或者EDA領(lǐng)域，風(fēng)雷項(xiàng)目在自主CAE產(chǎn)品方面都是第一個(gè)構(gòu)建VVUQ體系的。

技術(shù)困難以外，資金支持，項(xiàng)目管理也都是非常重要的影響因素。

風(fēng)雷項(xiàng)目歷史地，責(zé)無旁貸地，而又自然而然地落到了具有最強(qiáng)大流體計(jì)算團(tuán)隊(duì)，最完整的高低速流體試驗(yàn)裝置和最領(lǐng)先的計(jì)算機(jī)軟件研發(fā)團(tuán)隊(duì)的中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的肩上。

這一天，距離那時(shí)少壯的鄧小剛院士的藍(lán)圖設(shè)想差不多有20年了。

編輯：黃飛