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面向多核CPU/众核GPU架构的非结构CFD共享内存并行计算技术

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航空学报 2024年第7期45卷 108-121页

作者：张健李瑞田邓亮代喆刘杰徐传福国防科技大学并行与分布计算全国重点实验室长沙410073 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所绵阳621000

针对现代高性能计算机架构开展非结构CFD节点内共享内存并行,是提升浮点计算效率、实现更大规模流体仿真应用能力的关键。然而由于非结构网格CFD计算存在拓扑关系复杂、数据局部性差、数据写冲突等问题,传统算法如何共享内存并行化以高... 详细信息

针对现代高性能计算机架构开展非结构CFD节点内共享内存并行,是提升浮点计算效率、实现更大规模流体仿真应用能力的关键。然而由于非结构网格CFD计算存在拓扑关系复杂、数据局部性差、数据写冲突等问题,传统算法如何共享内存并行化以高效发挥多核CPU/众核GPU的硬件能力,成为一个重大的挑战。从一个工业级非结构CFD软件出发,通过深入分析其计算行为和访存模式,设计实现了多种共享内存并行算法,采用了网格重排序、循环融合、多级访存等数据局部性优化技术进一步提升性能。面向多核CPU架构,系统开展了循环级与任务级两种并行模式的对比研究;面向众核GPU架构,创新地提出了一种基于多级访存优化方法的规约并行策略。利用M6机翼和CHN-T1飞机算例对所有并行算法及优化技术进行了全面验证与评估。结果表明:在多核CPU平台上,基于剖分复制的任务级并行策略性能最好,采用Cuthill-McKee重排序以及循环融合分别使整体性能提升10%。在众核GPU平台上,基于多级访存的规约策略具有显著的加速效果,优化后热点函数的性能相比优化前提升了3倍,相比CPU串行性能整体加速比可达127。

关键词：非结构网格 CFD 共享内存并行 GPU 访存优化

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热阻式热流传感器在超高速低密度风洞中的应用

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实验流体力学 2024年

作者：杨凯王宏宇朱新新朱涛陈曦陶伯万李杰中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所中国空气动力研究与发展中心跨流域空气动力学重点实验室电子科技大学电子科学与工程学院

在超高速低密度风洞试验中，通常采用薄壁量热计、同轴热电偶和红外热图等测试热流。这些测热方式都存在测试结果易受噪声干扰、不确定度高等问题，其原因主要在于数据处理方式复杂。同时，这些测热方式的灵敏度系数较低，也不利于测试... 详细信息

在超高速低密度风洞试验中，通常采用薄壁量热计、同轴热电偶和红外热图等测试热流。这些测热方式都存在测试结果易受噪声干扰、不确定度高等问题，其原因主要在于数据处理方式复杂。同时，这些测热方式的灵敏度系数较低，也不利于测试低密度风洞试验中的低热流。原子层热电堆（Atomic Layer Thermopile, ALTP）热流传感器和小尺寸Schmidt–Boelter热流传感器具有灵敏度系数高、简单易用等特点，通过风洞试验验证了这两种热阻式热流传感器应用于超高速低密度风洞长时间低热流测试的可行性，以补充超高速低密度风洞试验测热手段。针对常规ALTP热流传感器尺寸较大等问题，以导电膜首尾串联敏感薄膜，在ALTP热流传感器使用尺寸不变的前提下，成倍提高其灵敏度系数，为下阶段ALTP热流传感器小型化奠定基础。

关键词：原子层热电堆 Schmidt–Boelter热流传感器灵敏度系数超高速低密度风洞同轴热电偶

基于改进BP神经网络的风洞天平静态校准研究

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实验流体力学 2024年

作者：郜明川闵夫解真东杨彦广中国空气动力研究与发展中心昆明理工大学信息工程与自动化学院中国空气动力研究与发展中心跨流域空气动力学重点实验室

针对风洞天平静态校准传统校准模型非线性误差较大的问题，采用BP神经网络建立了天平校准模型。三分量天平的BP神经网络模型为典型三层神经网络（“3–7–3”结构）；BP神经网络模型校准精准度满足天平静态校准合格指标，轴向力和俯仰... 详细信息

针对风洞天平静态校准传统校准模型非线性误差较大的问题，采用BP神经网络建立了天平校准模型。三分量天平的BP神经网络模型为典型三层神经网络（“3–7–3”结构）；BP神经网络模型校准精准度满足天平静态校准合格指标，轴向力和俯仰力矩分量校准性能优于传统模型，法向力分量校准性能则略低于传统模型。针对BP神经网络存在的不足，采用经混合策略改进的蝴蝶算法优化BP神经网络的初始权值和阈值，优化后的BP神经网络收敛精度和收敛速度得到提高。使用三分量应变天平校准数据进行了仿真实验，以天平输出信号值和天平加载载荷值作为输入和输出构建BP神经网络。传统校准模型、BP神经网络校准模型、蝴蝶算法优化BP神经网络校准模型的仿真实验结果对比表明：使用优化BP神经网络模型拟合天平校准公式，其校准性能比传统校准模型提高70%～90%，可有效消除传统校准模型非线性误差，显著提高天平静态校准精准度。

关键词：风洞天平静态校准 BP神经网络蝴蝶算法非线性拟合

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基于边界层理论的球头驻点热流计算方法研究

航空学报 2024年

作者：田润雨龚红明常雨孔小平中国空气动力研究与发展中心飞行器流体物理全国重点实验室中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所

准确获知球头驻点热流，对于飞行器防热设计至关重要。本文基于平衡空气球头驻点层流自相似边界层假设，开展了边界层方程相关推导，采用四阶龙格-库塔法数值求解坐标变换后的常微分边界层方程组，建立正向逼近打靶法，以寻找方程最优... 详细信息

准确获知球头驻点热流，对于飞行器防热设计至关重要。本文基于平衡空气球头驻点层流自相似边界层假设，开展了边界层方程相关推导，采用四阶龙格-库塔法数值求解坐标变换后的常微分边界层方程组，建立正向逼近打靶法，以寻找方程最优解，从而建立了通过求解边界层方程组获得球头驻点热流的方法，本文将该热流简称为BLES热流，在与试验值的对比中获得了较好的对比效果；以此方法为基础，针对高度10km～60km、不同速度、不同壁面温度的182个工况，开展了Fay-Riddell平衡流条件球头驻点热流公式计算偏差分析，发现在大部分工况下，壁面温度接近边界层外缘温度时，其热流计算值偏差明显增加；变形驻点热流表达式，将其中的无量纲参数拟合为多个无量纲参数组合的形式，得到了多参数拟合的新的球头驻点热流计算公式，并在多个工况下开展了热流计算效果对比研究，获得了优于Fay-Riddell平衡流条件球头驻点热流公式的应用效果。

关键词：边界层理论层流自相似球头驻点热流平衡流气动热 BLES热流

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开式转子气动噪声风洞试验研究

航空学报 2024年

作者：陈正武姜裕标卢翔宇李抢斌中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所

开式转子推进效率高，是当前航空发动机领域重要的发展方向，但开式转子气动干扰复杂，辐射的气动噪声强，致使气动噪声成为开式转子发动机研制面临的关键问题。为了评估开式转子气动噪声特性，验证开式转子气动噪声预测方法，分析开式... 详细信息

开式转子推进效率高，是当前航空发动机领域重要的发展方向，但开式转子气动干扰复杂，辐射的气动噪声强，致使气动噪声成为开式转子发动机研制面临的关键问题。为了评估开式转子气动噪声特性，验证开式转子气动噪声预测方法，分析开式转子气动噪声机理，利用新研制的大功率开式转子动力模拟试验装置，在5.5米×4米声学风洞开展了典型开式转子模型的气动噪声风洞试验研究，并建立了开式转子气动噪声的风洞试验数据处理方法，发展了开式转子气动噪声的阶次分解方法，系统分析了开式转子气动噪声特性和机理。研究结果表明：开式转子不同阶次单音的分离误差小于0.26dB；开式转子气动噪声的线谱丰富且明显，覆盖频率范围宽，单音是开式转子最主要噪声源；开式转子总噪声和单音主要朝90°辐射角附近传播，宽频噪声主要朝桨平面后方传播，前桨单音和后桨单音主要朝70°至110°辐射角传播。

关键词：开式转子气动噪声风洞试验声学风洞阶次分解

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旋翼近水面效应影响因素

空气动力学学报 2024年第1期42卷 86-99,I0002页

作者：白兴之吴文华林泽铖范召林张代贤高福奎中国空气动力研究与发展中心跨介质飞行器研究中心绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心绵阳621000

旋翼在近水面高速旋转产生的水气交混流场会引发近水面效应,为了解近水面效应对飞行器介质跨越造成的潜在风险,通过近水面与地面实验详细对比了不同直径的碳纤维旋翼桨叶在无地效、地面效应与近水面效应工况下的气动特性。研究分析了旋... 详细信息

旋翼在近水面高速旋转产生的水气交混流场会引发近水面效应,为了解近水面效应对飞行器介质跨越造成的潜在风险,通过近水面与地面实验详细对比了不同直径的碳纤维旋翼桨叶在无地效、地面效应与近水面效应工况下的气动特性。研究分析了旋翼近水面效应关键影响因素,指出了旋翼在近水面工作时拉力、扭矩与功率剧烈变化的原因,初步认识了液滴对于旋翼的作用,揭示了近水面效应影响规律:对于直径0.56 m桨叶,在高油门、低水面距离工况下,近水面效应具有非线性增升、增阻、转速降低、需用功率增大的效果;低油门、高水面距离工况下具有增升、减阻的效果;同时近水面效应又受旋翼直径、桨叶类型、转速影响。对于直径0.25 m桨叶,在不同工况下近水面效应都具有增升、减阻的效果。

关键词：近水面效应跨介质飞行器旋翼自由面地面效应液滴

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燃气舵流动性能及其材料烧蚀剥蚀行为研究进展

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复合材料学报 2024年

作者：程经理桂业伟曾磊刘骁杨肖锋石友安中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所

燃气舵因能够快速响应、完成大幅度姿态角转动而被广泛地研究与应用，但燃气舵表面烧蚀剥蚀问题严重制约了其发展。本文讨论了燃气舵相关代表性工作研究进展，包括燃气舵流动性能问题、金属材料和复合材料燃气舵结构表面热化学烧蚀及机... 详细信息

燃气舵因能够快速响应、完成大幅度姿态角转动而被广泛地研究与应用，但燃气舵表面烧蚀剥蚀问题严重制约了其发展。本文讨论了燃气舵相关代表性工作研究进展，包括燃气舵流动性能问题、金属材料和复合材料燃气舵结构表面热化学烧蚀及机械剥蚀问题。此外，针对轻质化复合材料燃气舵是未来发展的必然趋势，就其面临的复杂环境下的烧蚀剥蚀问题，还讨论了其他相关复合材料结构烧蚀剥蚀代表性工作，以共借鉴。据此，最后提出了复合材料燃气舵未来的发展重点，以期为复合材料燃气舵在国内的研究、应用及发展提供参考。

关键词：燃气舵气动传热特性复合材料烧蚀剥蚀高焓颗粒

表面烧蚀对等离子体的影响及其与电磁场相互作用的研究

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物理学报 2024年

作者：丁明松刘庆宗江涛傅杨奥骁李鹏梅杰中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所空天飞行空气动力科学与技术全国重点实验室

表面烧蚀显著影响高速流动中等离体子鞘分布及其与电磁场相互作用的特征。考虑高超声速飞行器表面烧蚀引射机制、烧蚀产物参与流场等离子体生成过程、含碱金属的混合电离气体导电机理和电磁动力学机制，通过耦合求解带电磁源项的三维热... 详细信息

表面烧蚀显著影响高速流动中等离体子鞘分布及其与电磁场相互作用的特征。考虑高超声速飞行器表面烧蚀引射机制、烧蚀产物参与流场等离子体生成过程、含碱金属的混合电离气体导电机理和电磁动力学机制，通过耦合求解带电磁源项的三维热化学非平衡流动控制方程、电场泊松方程和磁矢量泊松方程，建立了含碱金属烧蚀的高速流动/等离子体/电磁场耦合计算方法，结合常见的碳碳材料和硅基酚醛树脂材料烧蚀热解过程，较为系统地开展了多种条件下表面烧蚀对高超等离子体鞘影响及其与电磁场相互作用的机制与规律研究。研究表明：烧蚀效应对流场等离子体分布的影响，受烧蚀质量引射率和碱金属质量占比共同作用，当碱金属含量较高时，碱金属电离反应占主导，电子数密度可增大1～2个数量级；不同材料烧蚀对等离子体的影响存在差别，硅基酚醛树脂的烧蚀质量引射率较大，电离生成CO+、C+的摩尔浓度接近空气主要电离组分NO+、O2+，其影响不容忽视；烧蚀材料中碱金属可以显著提升磁流体力学控制效果，随着碱金属占比增大，电磁场耦合作用效果增强，二者呈非线性关系；在速度较低时，纯空气本身的电离度低导致电磁场耦合作用效果弱，“通过含碱金属烧蚀来提升电磁作用效果”的效率更高。

关键词：电磁流动耦合烧蚀碱金属等离子体高超声速流动

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一种新型的热力学两温度模型数值计算方法

航空学报 2024年

作者：李鹏丁明松陈坚强刘庆宗傅杨奥骁江涛梅杰许勇空天飞行空气动力科学与技术全国重点实验室中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所

高焓气体热力学参数的理论模式在两温度模型求解器中应用广泛，但在具体应用中具有程序运行效率低、数值稳定性差等问题。本文发展了一种更为简单高效的热力学两温度模型能量体系计算方法，它借鉴单温度模型热力学平衡能量的拟合表征形... 详细信息

高焓气体热力学参数的理论模式在两温度模型求解器中应用广泛，但在具体应用中具有程序运行效率低、数值稳定性差等问题。本文发展了一种更为简单高效的热力学两温度模型能量体系计算方法，它借鉴单温度模型热力学平衡能量的拟合表征形式，通过重构再造内能模态表征形式，分别得到由平动温度表征的线性能量项和由振动温度表征的非线性能量项，进而引入Chemkin拟合式对非线性能量项进行表征计算，从而避免理论模式采用指数表征式存在的潜在数值问题。数值研究表明：该方法在预测热化学非平衡流动及其相关气动特性方面计算精度可靠，且相比于采用理论模式的求解器计算效率更高，其单步迭代耗时与计算收敛所用耗时可降低10%以上，对提升热化学非平衡流动模拟效率具有积极效果，具有良好的工程应用价值和前景。

关键词：高超声速热化学非平衡两温度模型高焓气体 Chemkin拟合方法