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HPC CHINA 2019:航空航天领域高性能计算应用
2019-09-03 19:49

  中国一年一度高性能计算领域的盛会——全国高性能计算学术年会(HPC CHINA 2019)在内蒙古呼和浩特盛大开幕!

  本届大会由中国计算机学会主办,中国计算机学会高性能计算专业委员会、内蒙古和林格尔新区管理委员会、清华大学和内蒙古大学共同承办,北京并行科技股份有限公司协办。以“计算 见智 赢未来”为主题,聚焦E级计算机研制挑战、HPC重大应用等主题展开,汇聚业界前沿学术与应用动态。

  此次大会,行业各界顶级人才齐聚一堂,共同探讨HPC系统在大数据、人工智能、E级计算、航空航天等领域的应用趋势和融合发展。参会人数超过2500名,参展科研院所及企业50余家,特邀报告及主题演讲总共21场,论坛会议将近50场。

  随着航空航天技术的发展,对产品提出挑战物理极限的要求,高性能计算逐渐在航空航天领域发挥着重要作用,通过工程计算与仿真,提高产品迭代效率、降低成本。

  本论坛主要围绕运载工具、卫星、航空器、航空动力装置等高性能计算应用主题,立足建立正向自主研发能力,邀请相关领域专家进行报告,主要针对可压缩空气动力学、燃烧、传热、多相流、计算性能优化等方向应用交流,促进航空航天领域技术交流和高性能计算应用发展。

  首先带来分享的是来自中国航发四川燃气涡轮研究院研究员专业总师徐华胜,他演讲的题目是《航空发动机燃烧室数值仿真应用状况及发展需求》。

  燃烧室是航空发动机的三大核心部件之一,航空发动机燃烧室包含了湍流、雾化、蒸发、化学反应和辐射等复杂的三维两相湍流燃烧过程,高精度描述航空发动机燃烧室中的湍流燃烧过程需要复杂的物理模型。

  由于燃烧室过程的复杂性,传统的研制手段以试验为主,成本高、周期长,难以满足航空发动机迅速发展的需求。计算机技术以及计算流体力学和计算燃烧学的发展存进了数值仿真方法在航空发动机燃烧室中的应用,加快了航空发动机燃烧室的研制过程。

  技术研究和产品研制过程中发挥了越来越重要的作用,成为必不可少的分析手段。徐老师介绍了数值仿真在航空发动机燃烧室上的应用情况,燃烧室工作过程复杂,存在高紊流、气液两相流动和混合、燃烧化学反应、冷热气流掺混等多重复杂物理化学过程,目前的数值仿真结果与工程精度需求还存在较大差距,从工程应用角度提出了数值仿真需要解决的主要技术问题,以期通过燃烧室仿真技术软硬件的不断进步,为工业部门提供可靠的研制平台。

  接下来是来自西安电子科技大学的赵勋旺,他带来了题为《系统级高精度电磁计算在航天领域的应用》的分享。

  在航天领域的电磁设计中,长期以来需要开展天线与天线罩一体化高精度仿真计算与一体化优化设计工作,但传统方法往往难以提供解决方案。据赵勋旺介绍,航天领域的雷达带罩系统需要重点研究两部分,分别是分析和优化。

  精确分析:复杂的天线阵列与天线罩一体化精确分析以及多组馈电时的快速计算问题。

  高效优化:天线在加天线罩后辐射性能出现大幅度下降,尤其差波束零深的损耗导致无法精准定位目标,期望通过对雷达天线阵元的幅相进行调控优化后对差波束零深和偏移进行补偿。

  赵勋旺还介绍了超大规模并行高阶矩量法的关键理论与方法,重点给出航天领域的实际应用案例。

  下一位演讲者是清华大学航天航空学院特别研究员博士生导师肖志祥,他分享的主题是《RANS-LES混合方法框架体系》。

  航空航天领域内存在很多非定常流动现象,如大攻角、大分离等等,需要发展兼顾计算精度和效率的非定常流动预测方法。

  提出含转捩机制的RANS-LES-Tr混合方法,解决转捩/大分离共存难题;提出自适应系数RANS-LES-AC方法,一体模拟强剪切附体与解析各向同性分离;提出含更多转捩机制的RANS-LES混合方法的基准转捩模式,并用DNS验证;提出与RANS-LES混合方法匹配的宽速域自适应耗散格式与高质量网格生成策略。

  大型客机低速机体噪声及跨声速激波抖振控制;隐身飞机S弯进气道和低超声速内埋弹仓动载荷; XX飞行器非定常湍流、转捩预测等。

  下一位演讲的老师是西北工业大学教授博导钟诚文,他演讲的题目是《跨流域计算方法中的高性能计算》。

  在近空间高超声速飞行器、天地往返运输系统、航天器姿态控制等研究中均会涉及到多流域问题。基于连续性假设的Navier-Stokes方程在多流域情况下不再适用,目前多采用Boltzmann方程的统一算法。由于速度空间的离散,需要求解七维控制方程,导致了维度危机。

  钟老师介绍了速度空间的均匀离散和非均匀离散对计算资源的需求的差异、在求解控制方程中所采取的加速和并行计算策略,展示了多流域算例计算结果和并行计算效率。

  接下来是来自中国商飞上海飞机设计研究院研究员专业总师杨士普,他分享的题目是《HPC在航空产品设计中的应用》。

  商用飞机是一个高度复杂的系统工程,同时也是一项高投入、高风险、高回报的商业活动。为提升商用飞机的性能,缩短研制周期,提高市场竞争力,越来越多的计算机仿真技术被应用到飞机设计中,HPC为仿真技术的深度发展提供了基础之一。

  杨士普最后总结道:基于市场对飞机产品的要求,CFD仿真将在飞机研发过程中承担越来越重要的角色;基于CFD仿真的需求,HPC计算能力的需求将以10的三次方倍/10年的速度增长;基于成本与效率的考虑,CFD软件将从由商业软件为主转向以开源/自研软件为主。

  在本次分论坛中,最后一位出场的是来自中国空气动力研究与发展中心博士赵钟,他演讲的题目是《CFD软件对高性能计算的需求思考》。

  赵老师的报告围绕航空航天飞行器设计过程中对高性能并行计算的需求,分析当前计算流体力学软件(CFD)并行计算的发展形势,从“国家数值风洞”风雷软件的现状出发,探讨在面临下一代E级系统复杂硬件环境下,CFD软件如何在并行适应性、封装性方面取得较好的平衡。

  写在最后,伴随高性能计算技术的不断发展,航空航天领域工程仿真计算也越来越突显其重要的作用,带动经济效益与社会效益,促进航空航天领域技术交流和高性能计算应用发展。

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