数值虚拟飞行的简单实例

数值虚拟飞行（Numerical Virtual Flight, NVF），顾名思义，就是采用数值方法对整个飞行过程进行虚拟的模拟，得到飞行过程中的各种流动参数，流动现象，进而指导飞行器设计和优化。而整个飞行过程通常包括空气动力学、刚体运动学、动力学、以及飞行器控制系统，复杂的还要考虑结构弹性等多学科规律的耦合，因此数值虚拟飞行是一门多学科耦合的复杂技术科学。

之所以要发展数值虚拟飞行技术，是因为现代飞行器对于机动性和敏捷性更高的要求，使得传统的“fly&fix”的设计模式已经落后于飞行器快速发展的需求。

图1 传统的"fly&fix"设计模式

而之所以能够发展数值虚拟飞行技术，则得益于高性能计算机的迅猛发展。2018年6月美国能源部 Oak Ridge 国家实验室公布的Summit超级计算机的运算能力已经比之前排名第一的神威“太湖之光”快约60%，达到每秒20亿亿次（200PFlops），后者的算力为12.54亿亿次（125.4PFlops）。而这个数字还将在2020年左右被刷新到百亿亿次，即所谓的“E级”计算。

图2 超算发展历程（图来自互联网）

超强的计算能力提供了广阔的舞台，传统领域，如力学、数学、化学、物理等，新兴领域如大数据、人工智能、基因工程等各领域都在这个舞台上争奇斗艳，大放异彩。未来的时代是超级计算机的时代，也是能够利用超算开展工作的工程师的时代。

上面稍微扯了一点点背景，感兴趣的读者，或许能捕捉到时代的潮流和这其中的研究机会和机遇，也可以搜索相关文献。废话不多说，这篇推送的目的是展示一个虚飞的算例。

准确来说，本文给出的算例是“基于非结构重叠+RBF动网格的气动/运动/控制一体化的数值模拟”。

这个算例是二维3自由度的鱼游数值模拟，简单讲就是只给定鱼的摆尾方式，通过流体力学、运动学、控制的耦合数值模拟得到鱼游动全过程。

这里面涉及到处理鱼体刚性游动的非结构（并行）重叠网格技术、处理鱼体变形的RBF动网格技术、非定常流动的URANS求解技术、以及流体力学、运动学及控制律的耦合技术等。这基本上已经是一个完整的虚拟飞行的框架，如果进一步考虑气动与弹性变形的耦合，将更加接近真实的物理飞行过程（对于飞行器而言）。

以上8张图分别为模拟过程中的重叠动网格、及流场涡量云图

虚飞的作用：

对于鱼游算例，通过一体化数值模拟，研究鱼类游动规律，对于机器鱼的设计和控制均有一定的指导作用。尤其是结合机器学习算法，对鱼的游动过程进行学习，有助于掌握鱼类的真实游动规律，从而设计出接近真实的机器鱼。

对于飞行器设计，通过耦合控制律的数值虚拟飞行，可以在设计阶段考虑由于高机动性带来的非定常效应，设计出高可靠的非线性控制律，减少后期迭代和降低试飞风险。

说明：以上均是课题组多年工作积累的成果，并非作者个人工作成果，这些成果也可以在公开文献中查阅到，见参考文献。作者在这样一个平台、团队学习和工作，也感到十分荣幸和鼓舞人心。

参考文献：

[1]. 常兴华, 马戎, 张来平,等. 基于计算流体力学的“虚拟飞行”技术及初步应用[J]. 力学学报, 2015, 47(4):596-604.

[2]. 张来平, 马戎, 常兴华,等. 虚拟飞行中气动、运动和控制耦合的数值模拟技术[J]. 力学进展, 2014, 44(1):376-417.

网格动画的颜色好像变成灰色了...本来是下面这个样子的：