本文翻譯轉載于：Cadence Blog

作者：Veena Parthan

模擬高速射流既是一項技術挑戰，也是流體動力學領域一個激動人心的研究前沿。隨著航空航天技術的發展，尤其是在超音速和高超音速飛行領域，深入了解這些極端速度下流體運動的復雜行為變得越來越重要。當速度超過 1 馬赫時，氣動力的性質會發生顯著變化，從而產生激波。這些激波會形成特定的流動模式，從而顯著影響飛機的性能、穩定性和機動性。

當飛行速度達到 3 馬赫及以上時，尤其是在超燃沖壓發動機中，摩擦和壓縮引起的溫度變化可能會超過 1500 攝氏度。如果在設計中沒有充分考慮這種極端的熱環境，可能會導致材料疲勞和失效。借助Fidelity LES Solver（原名為 Cascade CharLES）等計算流體動力學（CFD）工具，研究人員現在可以以前所未有的精度探索高速飛行的物理特性。

但是，如何才能精確模擬這些極端工況？我們該如何應對這些模擬帶來的諸多挑戰？本文將帶你探索模擬高速射流的挑戰，展示 Fidelity LES 求解器的功能，并通過案例研究凸顯其潛力。

高速射流模擬的挑戰

高速射流模擬面臨著眾多挑戰，這些挑戰源于溫度、壓力和湍流之間復雜的相互作用。在高雷諾數下，湍流變得難以預測，需要強大的算法和高性能計算才能獲得準確的結果。

主要挑戰之一是捕捉壓縮性效應。在高速下，密度的變化以及與沖擊波的相互作用會顯著改變流動行為，因此精確建模至關重要。此外，高速射流內復雜的流動結構需要有效的湍流建模；在精度和計算效率之間找到適當的平衡仍然是一個重大挑戰。

其他重要方面包括傳熱和數值穩定性。劇烈的溫度梯度需要精心定義的邊界條件，以防止模擬中出現反射偽影。雖然高分辨率方案對于捕捉這些梯度至關重要，但它們通常會增加計算成本。

噪聲預測在聲學分析中至關重要。精確的噴氣噪聲建模需要將流動模擬與氣動聲學模型相結合，以有效捕捉各種環境中的聲音傳播。此外，燃料噴射的加入增加了復雜性，需要建立穩健的混合模型，因為燃料的特性會影響噴氣機的整體性能。

此外，利用實驗數據進行驗證的挑戰也不容忽視。有限的實驗基準通常意味著模擬必須基于不完整的數據和不同的假設，這使得驗證過程更加復雜。

這些挑戰共同凸顯了對先進計算工具和可靠高性能計算基礎設施的需求，以提高高速射流模擬的準確性和效率。

解決方案：Fidelity LES 求解器

Fidelity LES 求解器是一款專為高超音速和超音速流動模擬而設計的高保真計算流體動力學（CFD）分析工具。這款創新工具將大渦模擬（LES）擴展到關鍵的航空航天應用領域，解決了極端流動條件下面臨的獨特挑戰。它結合了先進的數值方法、高質量的網格生成和卓越的可擴展性，適用于極端航空航天環境中的大渦模擬（LES）。

Fidelity LES 求解器的主要亮點包括：

●多面體網格生成：該工具利用先進的裁剪 Voronoi 圖，即使對于復雜的幾何形狀也能實現穩健高效的網格劃分，從而確保精確且可擴展的模擬。

●可擴展性：Fidelity LES 旨在在 CPU 和 GPU 高性能計算系統上無縫運行，能夠高效地提供高分辨率結果。

●預測性高保真模擬：憑借先進的算法，它能夠以無與倫比的精度捕捉高速射流的復雜物理特性，從沖擊波相互作用到聲波傳播。

案例研究：探索非線性聲波

高速射流的累積非線性聲波形畸變（J.Fluid Mech., 2014）

為了展示Fidelity LES 求解器的功能，我們進行了一個案例研究，模擬高速射流并分析其聲學特性。該研究的主要目標是分析非線性聲波形在出口馬赫數為 3 的噴嘴中的傳播，并用實驗數據驗證這些結果。

設置

●使用 Fidelity LES 理想氣體求解器模擬可壓縮流動。

●1E-7 秒的時間步長確保了時間分辨率。

●在Cadence Millennium 平臺上，使用一個包含 8 個 GPU 的 GPU 節點，在 60 小時內實現了 0.1 秒的物理時間仿真。

●使用位于 x/Dj = 20 處的麥克風記錄噪聲，截止頻率約為 54kHz。信號清晰度得益于重疊度為 50% 的漢寧窗。

背景網格為 100 毫米，噴嘴處網格細化至 0.4 毫米（首層網格厚度）。

結果與洞察

模擬結果與實驗數據高度吻合，凸顯了求解器的預測準確性。雖然觀察到譜分辨率存在一些差異（歸因于數據平滑方法的差異），但模擬捕捉到了關鍵趨勢并驗證了實驗結果。低頻噪聲（St < 0.03）的變化與影響實驗聲傳播的隧道反射有關。

Fidelity LES 與實驗的遠場噪聲結果比較

Fidelity LES 的流量馬赫數

展望未來

高速射流模擬仍然是理論研究和實際航空航天創新的關鍵紐帶。通過使用 Fidelity LES 求解器等工具解決這些流動的固有復雜性，研究人員正在為更安靜、更高效的飛行系統以及高超音速飛行的突破性進展鋪平道路。