四大空气动力学研究实验室联发空气动力学学报！

繁星 力学说 2025年10月28日 08:50 河南

前言

叶轮机械作为动力能源领域的关键设备部件，其性能和效率直接关系到动力系统的服役表现。随着高性能计算机系统硬件水平的高速发展，以及流体、强度和传热领域数值仿真能力的不断提升，流固热耦合仿真技术对于叶轮机械的设计优化、性能预测以及故障预防起着越来越关键的作用。北京航空航天大学、中国空气动力研究与发展中心、四川天府流体大数据研究中心、空天飞行空气动力科学与技术全国重点实验室对叶轮机械流体、强度以及流固和流热仿真领域的主要数值方法和挑战问题进行了分析，以国产自主涡轮动力叶轮机械流固热耦合仿真软件（AeroEngine Numerical Simulation, AENS）为载体，介绍了同构/异构流固热耦合仿真软件架构，以及高效的耦合算法和鲁棒的网格技术。通过典型叶轮机械AENS流固/流热耦合仿真结果与试验数据的对比分析，表明AENS具备在高温、高压、高转速条件下的流固热耦合模拟能力，其应用前景广阔，为叶轮机械正向多学科耦合设计提供了重要支撑。

图文速览

文章小结

叶轮机械流固热耦合仿真已从松散单一学科分析迈入高精度、高效率、多物理场协同的新阶段。作者团队研发的AENS软件通过“底层库-求解器-配置总线”三层异构架构，实现了CPU/GPU/DCU的亿级网格并行，为国产软件提供了可扩展底座。流体技术上，RANS/LES混合框架与转捩、湍流修正模型（Helicity-SST、DDES-MDDES等）显著提升了复杂内流预测精度，定常掺混面、通道平均方程及谐波平衡等多级方法已可兼顾精度与工程耗时。固体仿真领域，弹塑性本构、返回映射算法及模态/瞬态/冲击一体化求解器已应用于叶片强度寿命评估，多尺度、降阶与非线性加速算法正成为研究热点。耦合算法层面，分区耦合借助KD-Tree快速搜索、径向基函数守恒插值和射线修正DWF动网格，解决了叶顶间隙保真与跨尺度数据传递难题；流热耦合通过“超网格”二次切割插值实现能量守恒。总体而言，高保真模型、异构并行、智能加速与自主可控软件生态正同步推进，为下一代高压比、高转速、高温叶轮机械的全生命周期设计、运维与优化奠定了坚实的数字化基础。未来，AENS软件将根据用户反馈，进一步提升高压比、高转速、高温叶轮机械场景的流固热耦合精度与效率，拓展多物理场耦合范围，深化在复杂工程场景中的仿真应用能力，为先进叶轮机械工程设计提供更强大、更高效的仿真工具。