CFD 軟件驗(yàn)證確認(rèn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的建設(shè)研究

齊志敏，曹平寬

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 第7 研究室，陜西 西安 710119)

CFD(Computational Fluid Dynamic)是飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)的重要手段之一。隨著計(jì)算機(jī)硬件和算法的不斷進(jìn)步，為CFD 技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，CFD 技術(shù)發(fā)揮的作用也越來(lái)越重要。然而，CFD 技術(shù)要真正在型號(hào)工程項(xiàng)目中發(fā)揮作用，就必須對(duì)其采用的工具——CFD 軟件的精度、準(zhǔn)度以及適用范圍等做出綜合評(píng)估，以保證其結(jié)果的可靠性、可用性。驗(yàn)證是確定概念模型的程序和計(jì)算實(shí)現(xiàn)是否正確。確認(rèn)是確定計(jì)算與物理真實(shí)是否一致，即求解正確的方程，使用中也可認(rèn)為是與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較。所以進(jìn)行CFD 軟件的驗(yàn)證和確認(rèn)研究工作就必須要有相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持，在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，專(zhuān)門(mén)為CFD 軟件的驗(yàn)證和確認(rèn)建立數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)已成為例行活動(dòng)［1－4］。在國(guó)內(nèi)這方面的工作相比國(guó)外還有一定差距［5－9］。因此，建立CFD 軟件驗(yàn)證確認(rèn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，才能持續(xù)推進(jìn)CFD 軟件的驗(yàn)證和確認(rèn)研究工作，以適應(yīng)CFD 軟件可信度分析需求，促使先進(jìn)CFD 技術(shù)成果在型號(hào)任務(wù)中獲得有效應(yīng)用，推進(jìn)技術(shù)發(fā)展。

本文提出了CFD 軟件驗(yàn)證確認(rèn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的解決方案，為CFD 軟件的驗(yàn)證和確認(rèn)研究工作提供數(shù)據(jù)支撐平臺(tái)。

1 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)CFD 軟件的分析和研究結(jié)合用戶(hù)需求可將CFD 軟件所具有的功能劃分為:亞聲速流動(dòng)模擬能力、跨聲速流動(dòng)模擬能力、超聲速流動(dòng)模擬能力以及高超聲速流動(dòng)模擬能力。在亞聲速、跨聲速、超聲速以及高超聲速的不同流速范圍內(nèi)，模擬的特征流動(dòng)包括附著流、分離流、邊界層轉(zhuǎn)捩、漩渦、漩渦干擾、滑流效應(yīng)、噴流、激波、激波干擾、真實(shí)氣體效應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)以及羽流干擾等。而對(duì)CFD 軟件的驗(yàn)證和確認(rèn)是通過(guò)算例來(lái)測(cè)量的，所以算例數(shù)據(jù)要體現(xiàn)CFD 軟件所具有的功能。根據(jù)流動(dòng)特征模擬的復(fù)雜程度不同，可將算例數(shù)據(jù)劃分為基準(zhǔn)級(jí)算例、部件級(jí)算例和系統(tǒng)級(jí)算例，分別對(duì)應(yīng)于單一的流動(dòng)模擬、流動(dòng)干擾模擬以及復(fù)雜流動(dòng)模擬的能力。算例屬性應(yīng)包括流動(dòng)模擬能力、流動(dòng)特征和算例等級(jí)，這樣就可對(duì)算例實(shí)現(xiàn)不同方式的分類(lèi)檢索。

CFD 軟件驗(yàn)證確認(rèn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)主要包括:算例基本信息、幾何數(shù)據(jù)、計(jì)算網(wǎng)格數(shù)據(jù)、計(jì)算狀態(tài)、可比較數(shù)據(jù)、參考文獻(xiàn)等。這些數(shù)據(jù)的類(lèi)型有:文本文件、二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件、圖像文件、word 文件、pdf 文件等。數(shù)據(jù)的主要特征是:結(jié)構(gòu)化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)據(jù)量大，但存儲(chǔ)、管理和數(shù)據(jù)交換較容易［10］。其中可比較數(shù)據(jù)包括點(diǎn)數(shù)據(jù)、曲線(xiàn)數(shù)據(jù)、云圖數(shù)據(jù)以及流線(xiàn)數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)既可是篩選和整理過(guò)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以是典型的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)。

算例的選擇既要考慮數(shù)據(jù)的正確性和完備性又要對(duì)CFD 軟件的能力要有覆蓋性，初步設(shè)計(jì)出亞、跨、超、高超聲速算例庫(kù)，形成算例數(shù)據(jù)庫(kù)。以亞聲速流動(dòng)為例給出了不同流動(dòng)特征所對(duì)應(yīng)的算例。這些算例數(shù)據(jù)一方面可反映主要的流動(dòng)特征，另一方面試驗(yàn)數(shù)據(jù)較全，業(yè)內(nèi)相關(guān)的計(jì)算研究比較成熟。對(duì)于某一CFD軟件而言，若針對(duì)這些算例計(jì)算結(jié)果較好則可認(rèn)為該軟件具有較好的亞聲速模擬能力。亞聲速下不同流動(dòng)特征對(duì)應(yīng)的算例如表1 所示。

表1 不同流動(dòng)特征對(duì)應(yīng)算例列表

2 數(shù)據(jù)組織

CFD 軟件驗(yàn)證確認(rèn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中以算例作為基本的數(shù)據(jù)組織單元，算例下包括幾何文件、計(jì)算網(wǎng)格、參考文檔、和可比較數(shù)據(jù)。算例基本信息包括了算例名稱(chēng)、算例描述、流動(dòng)特征等信息;可比較數(shù)據(jù)包括算例的流動(dòng)狀態(tài)以及對(duì)應(yīng)流動(dòng)狀態(tài)下的點(diǎn)數(shù)據(jù)、曲線(xiàn)數(shù)據(jù)、云圖數(shù)據(jù)及流線(xiàn)數(shù)據(jù);算例文檔資料包括算例的最佳實(shí)踐指南以及參考文檔數(shù)據(jù)。

為建立統(tǒng)一管理的數(shù)據(jù)模型，將算例數(shù)據(jù)組織為樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織

3 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CFD 軟件驗(yàn)證確認(rèn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可采用3 層C/S 結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)既能體現(xiàn)運(yùn)行的高效性，又能保證數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，同時(shí)還兼顧了系統(tǒng)的擴(kuò)展性，如圖2 所示。

CFD 軟件驗(yàn)證確認(rèn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)提供的主要功能有:算例基本信息管理、可比較數(shù)據(jù)管理、文檔管理等數(shù)據(jù)管理功能;數(shù)據(jù)瀏覽查詢(xún)、數(shù)據(jù)分類(lèi)、數(shù)據(jù)上傳和下載以及用戶(hù)管理、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)維護(hù)等系統(tǒng)管理功能。系統(tǒng)的主要功能如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)的功能樹(shù)

算例信息管理主要是指算例基本文本信息的添加、刪除和修改?？杀容^數(shù)據(jù)管理包括試驗(yàn)數(shù)據(jù)的管理和其他計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)的管理。文檔管理包括試驗(yàn)報(bào)告管理和參考文獻(xiàn)的管理。數(shù)據(jù)分類(lèi)是指算例數(shù)據(jù)可按照多種分類(lèi)方式組織，比如可按照馬赫數(shù)范圍分類(lèi)，也可按照構(gòu)型特點(diǎn)分類(lèi)。數(shù)據(jù)瀏覽查詢(xún)是指除了可分類(lèi)檢索數(shù)據(jù)外還要提供多條件組合查詢(xún)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)文件上傳和下載功能應(yīng)提供批量操作方式。系統(tǒng)管理包括用戶(hù)的管理，用戶(hù)對(duì)算例數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限的管理;數(shù)據(jù)維護(hù)主要是指對(duì)算例數(shù)據(jù)的備份以及導(dǎo)入恢復(fù)。

設(shè)計(jì)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)CFD 軟件的功能特征、流速范圍、算例分類(lèi)等屬性進(jìn)行分析和總結(jié)，將各種屬性都設(shè)計(jì)在表結(jié)構(gòu)中同時(shí)兼顧能為可信度分析提供方便的數(shù)據(jù)服務(wù)。后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)主要的表結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

CFD 軟件驗(yàn)證確認(rèn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

CFD 軟件驗(yàn)證確認(rèn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的底層是數(shù)據(jù)庫(kù)和基本的數(shù)據(jù)管理與維護(hù)，中間層是算例信息管理、文件數(shù)據(jù)管理、可比較數(shù)據(jù)管理、文檔資料管理，系統(tǒng)的頂層支持CFD 軟件驗(yàn)證與確認(rèn)研究。

通過(guò)對(duì)CFD 軟件驗(yàn)證確認(rèn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)工作，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用Java 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，可在不同平臺(tái)上使用。后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)使用開(kāi)源免費(fèi)的MySQL 實(shí)現(xiàn)文本信息以及文件路徑的存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)文件本身則通過(guò)FTP 存儲(chǔ)。算例數(shù)據(jù)的各種屬性可以作為檢索條件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分類(lèi)組織和查詢(xún)。

5 結(jié)束語(yǔ)

建立CFD 軟件驗(yàn)證確認(rèn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)一方面可以有效支持CFD 軟件的驗(yàn)證和確認(rèn)工作，另一方面可以利用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)成果的集成和已有數(shù)據(jù)的管理。本文提出了專(zhuān)用于CFD 軟件驗(yàn)證確認(rèn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的解決方案并初步完成了開(kāi)發(fā)工作。隨著對(duì)CFD 軟件開(kāi)展持續(xù)的驗(yàn)證和確認(rèn)工作，系統(tǒng)的功能和數(shù)據(jù)將不斷完善和擴(kuò)充。

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