面向航空航天领域的工业CFD软件研发设计-张健，周乃春，李明，刘杰，陈江涛，向栋，金韬.pdf

上善若水

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2022-05-19

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

面向航空航天领域的工业CFD软件研发设计

张健

1,2

,周乃春

,李明

,刘杰

,陈江涛

,向栋

,金韬

(国防科技大学计算机学院,湖南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,四川绵阳621000)

通信作者:李明,E-mail:liming@cardc.cn

摘　要:工业CFD(computationalfluiddynamics)软件属于计算机辅助工程(computer-aidedengineering,CAE)软

件的一种,在航空航天等领域有着广泛的应用.其开发过程强烈依赖于流体力学、数学、计算机以及其他领域学

科知识模型,涉及大量理论推导、模型构建、算法优化、验证与确认等专业性、基础性科学研究,导致软件系统

构成复杂,研发难度巨大.通过引入软件工程的方法和实践,能够对软件开发进行更有效的组织与管理,达到缩短

开发周期、提升软件质量的目的.分析了工业CFD软件的特点和发展趋势,提出了适合于工业CFD软件的增量

与迭代结合的开发模型.自主研发了面向CFD仿真软件的自动化持续集成平台.从软件交互、封装与效率、功能

扩展性及高性能集群环境部署等方面给出了工业CFD软件的设计建议.针对性建立了适用于科学计算软件的验

证与确认方法.最后给出了一款国产自主CFD软件示范性案例,以期为相关研究者和实践者提供参考.

关键词:航空航天;软件工程;工业软件;CFD;验证与确认

中图法分类号:TP311

中文引用格式:张健,周乃春,李明,刘杰,陈江涛,向栋,金韬.面向航空航天领域的工业CFD软件研发设计.软件学报,

2022,33(5):1529–1550.http://www.jos.org.cn/1000-9825/6547.htm

英文引用格式:ZhangJ,ZhouNC,LiM,LiuJ,ChenJT,XiangD,JinT.R&DandDesignofIndustrialCFDSoftwarefor

AeronauticsandAstronautics.RuanJianXueBao/JournalofSoftware,2022,33(5):1529–1550(inChinese).http://www.jos.org.cn/

1000-9825/6547.htm

R & D and Design of Industrial CFD Software for Aeronautics and Astronautics

ZHANGJian

1,2

,ZHOUNai-Chun

,LIMing

,LIUJie

,CHENJiang-Tao

,XIANGDong

,JINTao

(CollegeofComputerScienceandTechnology,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

(ComputationalAerodynamicsInstitute,ChinaAerodynamicsResearchandDevelopCenter,Mianyang621000,China)

Abstract:Industrial computational fluid dynamics (CFD) software is a kind of computer-aided engineering (CAE) software, which has a

wide range of applications in aeronautics and astronautics and other fields. Its development process strongly relies on fluid mechanics,

mathematics, computers, and other disciplines knowledge models, involving a large number of professional and fundamental scientific

researches, such as theoretical derivations, physical model establishment, algorithm optimization, verification and validation, leading to a

very complex composition of the software system and huge research and development difficulty. By introducing software engineering

methods and practices, software development can be effectively organized and managed to shorten development and to improve the quality

of the software. This study briefly analyzes the characteristics and new trends of industrial CFD software. Base on this, a combination of

incremental and iterative developing model suitable for industrial CFD software is proposed. An automated continuous integration platform

for CFD simulation software is developed. Suggestions for industrial CFD software design are given from the aspects of software

interaction, encapsulation and efficiency, functional scalability, and high-performance cluster environment deployment. Targeted verification

and validation methods suitable for scientific computing software are established. Finally, a demonstration case of domestic independent



*

基金项目:国家数值风洞工程

本文由“领域软件工程”专题特约编辑汤恩义副教授、江贺教授、陈俊洁副教授、李必信教授以及唐滨副教授推荐.

收稿时间:2021-07-22;修改时间:2021-10-09;采用时间:2022-01-10;jos在线出版时间:2022-01-28



软件学报ISSN1000-9825,CODENRUXUEW E-mail:jos@iscas.ac.cn

Journal of Software,2022,33(5):1529−1550[doi:10.13328/j.cnki.jos.006547] http://www.jos.org.cn

CFDsoftwareisillustrated,withaviewtoprovidingreferencesforrelatedresearchersandpractitioners.

Key words:Aeronautics and Astronautics; software engineering; industrial software; computational fluid dynamics (CFD); verification and

validation



基于计算流体力学(computationalfluiddynamics,CFD)的数值仿真软件是计算机辅助工程(computeraided

engineering,CAE)的重要组成部分,其原理是通过计算机数值求解流动控制方程,从而对流动现象进行分析和预

测,进而用于指导工业设计.工业CFD软件是针对于工业应用的一类CFD软件,有别于基础理论研究的CFD软

件,其特点是采用更多成熟的技术方案、拥有稳定的架构体系和软件生态、适用于更宽广的应用范围和更自由的

对象,在武器装备、航空航天、交通运输等产业和领域发展中起到重要支撑作用,是提高国家核心竞争力的重要

手段

[1]

.在航空航天领域,基于CFD的数值模拟软件一直是飞行器设计中空气动力性能评估的核心软件,但当前

国内CFD软件的研发仍然属于短板,众多型号设计的气动评估还是主要依赖进口商业软件,亟需自主化CFD软

件开发.

经过多年的技术积累和市场培育,美欧已经诞生了诸如ANSYSFluent/CFX、Star-CCM+、CFD++、Numeca

等成熟商业软件,牢牢占据国内市场.近年来,随着我国对工业软件发展的高度重视,国产自主工业CFD软件的研

发也逐渐兴起.例如,航空工业气动院研发的航空数值计算平台UNSMB,可以高效和精确地进行跨音速、超音速

复杂模型的气动力计算

[2]

;西北工业大学研制的HUNS3D软件,是一套面向航空航天工程领域气动力/热分析、

流固耦合、飞行仿真等相关问题的数值模拟平台

[3]

,此外还有北京航空航天大学开发的战术导弹CFD系统平

台

[4]

,以及中国空气动力研究与发展中心推出的开源CFD软件平台PHengLEI

[5]

等.上述大多数CFD软件以研究

所、高校自研自用软件为主要特征,但也有一些优秀的通用CFD软件渐露头角,逐渐朝着商业化路线迈进:例如,

中国空气动力研究与发展中心的NNW-FlowStar软件(以下简称FlowStar软件),在国家数值风洞(NNW)工程资

助下,集成了常规气动力预测、喷流干扰评估、进排气影响模拟、多体分离轨迹计算等航空航天领域主要气动仿

真功能,目前已面向全国发布,可免费使用

[6]

;深圳清沣溪科技有限公司开发的QFLUX软件,具备完善的图形化

界面、流场可视化及数据后处理功能,可广泛应用于精细模拟各类复杂的可压缩或不可压缩湍流分离流、多相流、

颗粒流、气动声学/水动声学等问题

[7]

.整体而言,相比成熟商业软件,国产CFD软件才刚刚起步,在很多方面还

有很大差距,这些差距主要集中在功能的丰富性、系统的鲁棒性和用户的体验性等方面.我国CFD科研领域在计

算方法上基本能够跻身世界前列,但上述先进的技术在迈向成熟软件产品的转换上还存在较多问题,其中很大一

部分原因就是在开发实践中缺乏对软件工程的重视.大型工业CFD软件开发不可避免面临软件开发的普遍问题:

一方面软件系统的规模和复杂性越来越高,开发过程面临较大的不确定性,另一方面作坊式的软件开发方式在开

发效率和质量保障等方面越来越难以满足需要.因此,在当前国防军工和国民经济发展对工业CFD软件有迫切需

求的背景下,探寻适合大型工业CFD软件的软件工程方法,实现国产自主工业软件的创新超越具有十分重要的现

实意义.

面向航空航天领域的工业CFD软件虽然具备鲜明的行业特色,但其本质依然是软件.截至目前,讨论CFD软

件的文献大多侧重于CFD理论方法研究,缺乏工程化软件开发的研究.由于软件开发的复杂性和不可见性,使得

描述软件开发过程的软件开发与组织方法也天然带着一定的抽象性.由此带来了很多概念上的误导和实践中的争

论

[8]

.所以在指导实际特定领域软件开发时需要相应的进行适应性组合和裁剪.本文将结合笔者所在团队在

FlowStar软件中的开发实践经验,以“解剖麻雀”的方式,从多个维度科学剖析工业CFD软件开发全生命周期的各

个阶段的一些特殊问题,最终用于促进CFD软件开发者之间进行交流,共同提升国产自主工业CFD软件的开发

水平.

本文第1节分析了工业CFD软件的特点及发展趋势,并进一步分析了影响CFD软件开发难易度的因素.第

2节结合工业CFD软件特点提出了一种增量式迭代开发过程.第3节讨论了工业CFD软件设计时在效率和可扩

展性之间的权衡.第4节重点介绍了科学计算软件特点下的CFD软件验证与确认.第5节给出了多样化环境下

的CFD软件部署解决方案.第6节展示了结合软件工程方法实践研发出的一款自主工业CFD软件示范性案例.

1530 软件学报2022年第33卷第5期

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