更準(zhǔn)確、更精確、更高效
——高超聲速流動(dòng)數(shù)值模擬研究進(jìn)展

唐志共， 張益榮， 陳堅(jiān)強(qiáng)， 毛枚良， 張毅鋒， 劉化勇

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心， 綿陽 621000

更準(zhǔn)確、更精確、更高效
——高超聲速流動(dòng)數(shù)值模擬研究進(jìn)展

唐志共， 張益榮， 陳堅(jiān)強(qiáng)*， 毛枚良， 張毅鋒， 劉化勇

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心， 綿陽 621000

從準(zhǔn)度、精度和效率3方面回顧了近幾十年來高超聲速流動(dòng)數(shù)值模擬研究的進(jìn)展。在物理模型方面，介紹了高超聲速數(shù)值模擬中高溫氣體效應(yīng)、稀薄氣體效應(yīng)以及湍流效應(yīng)的建模與模擬，基于雷諾平均Navier-Stokes(RANS)方程重點(diǎn)對(duì)現(xiàn)階段較為關(guān)注的高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩的模式理論研究進(jìn)行了介紹。在空間離散算法方面，主要介紹了高超聲速數(shù)值模擬中常用的二階精度迎風(fēng)格式以及高階精度格式的發(fā)展及其應(yīng)用。在時(shí)間推進(jìn)方面，主要回顧了隱式時(shí)間推進(jìn)方法的發(fā)展及其應(yīng)用。在誤差和不確定度估計(jì)方面，主要介紹了其概念、來源以及常用的分析方法，同時(shí)給出了迭代誤差估計(jì)、Richardson外插法以及敏感性導(dǎo)數(shù)方法等初步研究結(jié)果。最后，討論了高超聲速流動(dòng)數(shù)值模擬中下一步需關(guān)注的問題。

高超聲速流動(dòng)； 數(shù)值模擬； 物理建模； 數(shù)值方法； 誤差； 不確定度

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)在自誕生至今的近百年時(shí)間里，隨著物理模型、數(shù)值算法和計(jì)算機(jī)軟硬件水平的不斷發(fā)展而迅速崛起，成為飛行器研制中氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)庫建設(shè)的重要手段。與此同時(shí)，由于高超聲速飛行器具有的特殊軍事意義及經(jīng)濟(jì)、科技價(jià)值，世界各國(guó)紛紛將高超聲速飛行器的研制列入重點(diǎn)發(fā)展計(jì)劃[1]。以美國(guó)為例，其在技術(shù)發(fā)展水平和人員、資金投入力度等方面都走在世界最前列，先后提出了一系列高超聲速發(fā)展計(jì)劃，包括20世紀(jì)60年代的X-15驗(yàn)證機(jī)，1986年的國(guó)家空天飛機(jī)計(jì)劃(NASP)，2001年提出的航空航天倡議(NAI)，2002年形成的高超聲速飛行計(jì)劃(HyFly)，2003年提出的FALCON(Force Application and Launch from CONtinental United States)計(jì)劃(HTV和HCV)，以及最近幾年發(fā)展迅速的X-37B和X-51A等，如圖1所示，在高超聲速吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)、數(shù)值模擬物理化學(xué)建模、熱防護(hù)以及數(shù)據(jù)再利用等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，在諸多領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就。縱觀這一系列高超聲速計(jì)劃的發(fā)展歷程，正是其中所暴露出來的問題，才不斷推動(dòng)著高超聲速技術(shù)，特別是數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展。例如，X-15在試驗(yàn)飛行過程中由于嚴(yán)重的激波/激波和激波/邊界層干擾導(dǎo)致沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩的損毀，如圖2所示，使人們認(rèn)識(shí)到激波干擾問題的復(fù)雜性和重要性，而航天飛機(jī)機(jī)體襟翼俯仰力矩配平異常，更是直接推動(dòng)了真實(shí)氣體效應(yīng)的研究，這些都促進(jìn)了數(shù)值模擬手段的發(fā)展。

隨著高超聲速飛行器的發(fā)展，其任務(wù)越來越復(fù)雜，飛行包線越來越寬，對(duì)飛行器機(jī)動(dòng)性和防熱等都提出了更高要求。不管是利用CFD完成低馬赫數(shù)風(fēng)洞數(shù)據(jù)到高馬赫飛行數(shù)據(jù)的外推，還是直接利用CFD進(jìn)行高空高馬赫數(shù)飛行狀態(tài)的模擬，都對(duì)高超聲速數(shù)值模擬技術(shù)的可信度提出了更高要求。從實(shí)驗(yàn)觀察到的物理現(xiàn)象到數(shù)學(xué)形式的物理模型，再到數(shù)值模擬的離散方程、邊界條件以及輔助模型等，CFD與真實(shí)情況之間存在諸多假設(shè)、簡(jiǎn)化和近似。由此，準(zhǔn)度和精度的評(píng)估就成為可信度研究中最重要的兩個(gè)方面，對(duì)于高超聲速數(shù)值模擬，分別涉及到物理建模、邊界條件和輔助模型準(zhǔn)確性以及時(shí)間/空間離散精度等。國(guó)外對(duì)此開展了大量研究工作，如北約主持的一系列高超聲速流動(dòng)數(shù)值模擬確認(rèn)研究[2-3]，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)把不確定度量化作為2014—2030年CFD研究路線圖中的重要部分[4]，提出到2030年將具備CFD誤差估計(jì)和不確定度傳播分析的能力。此外，隨著高超聲速飛行器執(zhí)行任務(wù)和幾何構(gòu)型越來越復(fù)雜，研究周期越來越短，對(duì)高超聲速流動(dòng)數(shù)值模擬的求解效率提出了更高要求。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用問題，加速收斂技術(shù)和并行計(jì)算效率是主要的影響因素，前者如多重網(wǎng)格、網(wǎng)格自適應(yīng)等常用技術(shù)并不適用于存在強(qiáng)間斷的高超聲速流動(dòng)數(shù)值模擬中，后者依賴于計(jì)算機(jī)硬件水平和數(shù)值算法等，其中，隱式時(shí)間推進(jìn)方法由于優(yōu)越的魯棒性和高效性，得到了迅速發(fā)展及應(yīng)用。

圖1 高超聲速飛行器Fig.1 Hypersonic vehicle

圖2 X-15飛機(jī)Fig.2 X-15 aircraft

本文針對(duì)高超聲速流動(dòng)模擬中的準(zhǔn)度、精度和效率問題，詳細(xì)介紹了近年來在物理模型、空間離散算法、時(shí)間推進(jìn)方法以及誤差和不確定度估計(jì)等方面的研究進(jìn)展，尤其對(duì)目前的熱點(diǎn)問題，如高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)、高階格式在復(fù)雜流動(dòng)中的應(yīng)用以及CFD結(jié)果可信度評(píng)估等方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)下一步高超聲速流動(dòng)數(shù)值模擬中擬關(guān)注的問題進(jìn)行了討論。

1 更準(zhǔn)確——物理模型研究進(jìn)展

1.1 主要的物理模型

高超聲速飛行器在飛行過程中將可能經(jīng)歷高溫真實(shí)氣體效應(yīng)、稀薄氣體效應(yīng)、黏性干擾、邊界層轉(zhuǎn)捩和分離以及熱輻射等復(fù)雜物理化學(xué)現(xiàn)象，如圖 3所示。

圖3 高超聲速飛行器典型流動(dòng)特征Fig.3 Typical flow feature of a hypersonic vehicle

CFD如何真實(shí)復(fù)現(xiàn)高超聲速飛行，很大程度上取決于物理模型反映真實(shí)情況的程度。目前，工程應(yīng)用領(lǐng)域一般按高度劃分流域(通常對(duì)應(yīng)克努森數(shù))，如60 km以下連續(xù)流假設(shè)成立，該區(qū)域的數(shù)值模擬可基于連續(xù)流假設(shè)的Navier-Stokes方程組進(jìn)行，而60～90 km為滑移流區(qū)，可利用添加滑移邊界條件的Navier-Stokes方程組進(jìn)行計(jì)算，90 km以上連續(xù)假設(shè)不再成立，需要采用直接模擬蒙特卡羅(DSMC)等方法求解[5]。此外，近些年稀薄流到連續(xù)流統(tǒng)一算法的發(fā)展也較為迅速[6]，是富有希望的一種全流域求解策略。對(duì)于基于Navier-Stokes方程組求解的高超聲速流動(dòng)數(shù)值模擬，高溫真實(shí)氣體效應(yīng)建模涉及到多組分化學(xué)反應(yīng)混合氣體控制方程(包括總質(zhì)量守恒、總動(dòng)量守恒、總能量守恒、各組分守恒、不同內(nèi)部分子模式(轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)以及電子激發(fā)，包括與平動(dòng)之間的模式間相互轉(zhuǎn)換)之間的能量守恒以及熱狀態(tài)方程)以及與這些物理現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)的邊界條件(包括允許速度和溫度滑移的氣/固界面動(dòng)量輸運(yùn)，允許組分生成和消耗的氣/固界面質(zhì)量輸運(yùn)等)等。目前，國(guó)內(nèi)外主流高超聲速CFD軟件，如GASP、LAURA和VULCAN等，在模擬高溫真實(shí)氣體效應(yīng)時(shí)，普遍根據(jù)求解問題的特點(diǎn)，不同層次地采用帶5組分、7組分或11組分空氣化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng)Navier-Stokes控制方程組，考慮平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)和電子能量激發(fā)模型，以及可能的電離效應(yīng)等影響。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究表明，高溫真實(shí)氣體效應(yīng)對(duì)激波脫體距離、駐點(diǎn)熱流峰值、表面摩擦阻力分布以及飛行器氣動(dòng)力和力矩產(chǎn)生較大影響，但從文獻(xiàn)調(diào)研情況可知，目前普遍采用的高溫真實(shí)氣體效應(yīng)物理模型框架形成于20世紀(jì)90年代[7]，近些年卻鮮有突破性進(jìn)展。圖 4給出了真實(shí)氣體和完全氣體計(jì)算得到的頭部弓形激波脫體距離的差異。圖 5是美國(guó)航天飛機(jī)利用不同物理模型(包括GASPex軟件求解的完全氣體(Ideal Gas)、五組分空氣化學(xué)反應(yīng)模型(React. 5-sp Air)、FELISA軟件求解的平衡氣體模型(Eq. Air))的計(jì)算結(jié)果和OADB(Operational Aerodynamic Data Book)數(shù)據(jù)的比較，由圖可知真實(shí)氣體效應(yīng)對(duì)俯仰力矩系數(shù)Cm的影響較大[8]。

圖4 真實(shí)氣體和完全氣體模型計(jì)算馬赫數(shù)等值線比較Fig.4 Comparison of Mach number contours between real gas and ideal gas model

圖5 俯仰力矩系數(shù)計(jì)算結(jié)果和OADB數(shù)據(jù)比較(Ma=15)[8]Fig.5 Comparison of pitching moment coefficients for calculation results and OADB data (Ma=15)[8]

高超聲速流動(dòng)領(lǐng)域的另一個(gè)難題是湍流，大渦模擬(LES)、直接數(shù)值模擬(DNS)、雷諾平均Navier-Stokes(RANS)以及RANS/LES混合方法等是目前數(shù)值模擬湍流的主要手段。其中，LES和DNS雖然在理論上較為完備，但極大的計(jì)算量難以滿足工程應(yīng)用需求，混合方法近些年雖有所發(fā)展，但要廣泛應(yīng)用于復(fù)雜外形計(jì)算仍有難度，而基于RANS的湍流模式理論雖然最初從不可壓流動(dòng)發(fā)展而來，但目前仍是解決工程問題最有效、最實(shí)際的選擇。常用的湍流模型包括B-L代數(shù)模型、Spalart-Allmaras(S-A)一方程模型和剪切應(yīng)力輸運(yùn)(SST)兩方程模型以及多種可壓縮性修正方法[9]。

在湍流模擬中，高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩是其中非常重要但又難度很大且當(dāng)前最為關(guān)注的研究課題。航天飛機(jī)、高速導(dǎo)彈、臨近空間和再入飛行器等，因?yàn)槿珜恿?、全湍流和轉(zhuǎn)捩在摩阻和熱流上的差異很大，最大峰值會(huì)相差數(shù)倍。所以，高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩的建模與模擬研究是飛行器發(fā)展的迫切需求，美國(guó)2014—2030年的CFD技術(shù)路線圖將轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)作為物理建模研究中的一項(xiàng)重要工作[4]。

1.2 邊界層轉(zhuǎn)捩

高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩受到來流雷諾數(shù)Re∞、馬赫數(shù)、湍流度、強(qiáng)激波、強(qiáng)逆壓梯度、粗糙度、橫流和第2模式不穩(wěn)定波等影響，準(zhǔn)確建模和預(yù)測(cè)十分困難。風(fēng)洞試驗(yàn)和理論分析手段發(fā)展較早，為數(shù)值模擬建模研究提供了寶貴的參考數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)，如美國(guó)蘭利中心Mach 6靜音風(fēng)洞[10]和波音/空軍Mach 6靜音風(fēng)洞[11]的一系列邊界層穩(wěn)定性試驗(yàn)，Bi等[12]在炮風(fēng)洞中進(jìn)行的Mach 6圓錐轉(zhuǎn)捩試驗(yàn)等。圖 6是Holden等在卡爾斯潘大學(xué)巴福羅研究中心(CUBRC)激波風(fēng)洞[13]中研究粗糙度和迎角等對(duì)HIFiRE錐體轉(zhuǎn)捩的影響，圖中給出了溫敏漆(TSP)熱流測(cè)量結(jié)果。

高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩數(shù)值模擬近年來發(fā)展較快得益于硬件的飛速發(fā)展，使DNS平板和尖錐等簡(jiǎn)單外形高超聲速流動(dòng)轉(zhuǎn)捩成為可能，圖 7為圓錐DNS計(jì)算表面熱流等值線和Q等值面[14]。但在工程應(yīng)用領(lǐng)域，RANS湍流/轉(zhuǎn)捩模式還是最為適用的。

圖6 HIFiRE外形轉(zhuǎn)捩[13]Fig.6 Transition on HIFiRE configuration[13]

圖7 表面熱流等值線和Q等值面[14]Fig.7 Surface contours of heat flux and Q isosurfaces[14]

通過類似渦黏性系數(shù)方式?；瘜恿髅}動(dòng)影響，再結(jié)合湍流模式和間歇因子構(gòu)成完整轉(zhuǎn)捩過程模型，是當(dāng)今轉(zhuǎn)捩模型構(gòu)造的主流思想之一。如McDaniel[15-16]和Xiao[17]等利用該方法對(duì)Ma=3.5～8.0的平板、尖錐和裙錐等一系列高超聲速轉(zhuǎn)捩流動(dòng)問題進(jìn)行數(shù)值模擬研究，其結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值接近，圖8是尖錐Bypass轉(zhuǎn)捩的熱流qw分布計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，圖中BTU/(ft2·s)為英制熱流單位[17]。Papp和Dash[18-19]通過仔細(xì)調(diào)節(jié)間歇因子方程生成項(xiàng)的系數(shù)獲得了與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合很好的轉(zhuǎn)捩起始位置和轉(zhuǎn)捩區(qū)長(zhǎng)度，但所得模型的普適性較差。符松和王亮[20]建立了具有模擬高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩過程機(jī)制的k-ω-γ轉(zhuǎn)捩模型，圖9是高超聲速圓錐表面溫度分布，其中FSTI為自由來流湍流度。宋博和李椿萱[21]將Favré平均層流脈動(dòng)動(dòng)能方程和Navier-Stokes方程聯(lián)合構(gòu)造高超聲速轉(zhuǎn)捩模型，對(duì)Ma∞=5.91的裙錐的計(jì)算表明，該模型能較好地預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)捩起始位置，但同樣存在參數(shù)選取經(jīng)驗(yàn)性問題。

圖8 尖錐熱流分布[17]Fig.8 Heat flux distribution along rays of cone[17]

圖9 帶裙帶圓錐的表面溫度分布(Ma∞=5.91, Re∞=9.348×106,T∞=56.2 K, FSTI=0.1%)[20]Fig.9 Distribution of surface temperature on flared cone (Ma∞=5.91, Re∞=9.348×106,T∞=56.2 K, FSTI=0.1%)[20]

近年來，在邊界層轉(zhuǎn)捩模擬RANS方法研究領(lǐng)域，基于間歇因子和轉(zhuǎn)捩起點(diǎn)動(dòng)量厚度雷諾數(shù)輸運(yùn)方程的γ-Reθ模型嶄露頭角，目前世界上主流的CFD軟件，如Fluent、CFD++、CFL3D和OVERFLOW等都有γ-Reθ模型計(jì)算模塊。γ-Reθ模型依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式建立，完全基于局部變量，使得該模型具有很強(qiáng)的適用性和可擴(kuò)展性，在工程實(shí)踐中具有很大潛力。γ-Reθ模型最初由Menter等[22]提出，后來又與Langtry合作進(jìn)行改進(jìn)[23-25]。模型中兩個(gè)關(guān)鍵函數(shù)——轉(zhuǎn)捩長(zhǎng)度函數(shù)和臨界動(dòng)量厚度雷諾數(shù)函數(shù)，需要通過仔細(xì)的轉(zhuǎn)捩算例進(jìn)行校準(zhǔn)，作為商業(yè)秘密，Ansys CFX軟件直到2009年才公開這兩個(gè)函數(shù)[25]。這兩個(gè)函數(shù)對(duì)數(shù)值模擬平臺(tái)的依賴性很高，不同計(jì)算格式會(huì)對(duì)結(jié)果造成較大影響，Malan[26]、Medida[27]和Krause[28]等都在各自軟件平臺(tái)上進(jìn)行了專門的參數(shù)校準(zhǔn)。Bensassi等[29]模擬了軸對(duì)稱高超聲速圓錐轉(zhuǎn)捩流動(dòng)，如圖10所示，圖中LCTM(Local Correlation-based Transition Model)為基于局部經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的轉(zhuǎn)捩模型，Tu為湍流度。國(guó)內(nèi)，張曉東[30]和Yan等[31]也對(duì)γ-Reθ模型的應(yīng)用開展了研究。

圖10 圓錐轉(zhuǎn)捩(Ma=8)[29]Fig.10 Transition flow on cone (Ma=8)[29]

2 更精確——空間離散算法研究進(jìn)展

數(shù)值算法作為CFD的核心，是影響計(jì)算結(jié)果精度的重要因素之一，一直以來都是研究的重點(diǎn)，這其中又以Navier-Stokes控制方程組中對(duì)流項(xiàng)的格式構(gòu)造為主要研究對(duì)象。高超聲速流動(dòng)中的激波強(qiáng)間斷和黏性干擾等現(xiàn)象要求格式在精細(xì)刻畫邊界層等黏性流動(dòng)的同時(shí)，又能有效消除間斷附近的非物理振蕩，迎風(fēng)格式對(duì)拋物型問題具有天然的激波捕捉能力強(qiáng)、計(jì)算穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，在高超聲速數(shù)值模擬領(lǐng)域得到了廣泛的認(rèn)可和推廣[32]。

2.1 一階和二階迎風(fēng)格式

CFD的發(fā)展與計(jì)算機(jī)硬件水平的發(fā)展息息相關(guān)，正因如此，直到19世紀(jì)后期，CFD才真正具備求解實(shí)際問題的能力。對(duì)于高超聲速數(shù)值模擬來說，下面這些工作具有里程碑意義。

1959年，Godunov[33]提出一階迎風(fēng)格式，開創(chuàng)了基于Riemann精確解的CFD格式構(gòu)造方法；1979年，van Leer[34]提出單調(diào)迎風(fēng)守恒MUSCL方法，配合合適的限制器，這類格式具有很高的間斷捕捉分辨率，幾乎是目前高分辨率格式的通用做法。此后，Steger[35]和van Leer[36]等建立矢通量分裂格式(FVS)，該格式捕捉強(qiáng)間斷(如激波)能力強(qiáng)、可靠性高、格式簡(jiǎn)單、計(jì)算量小，被廣泛用于高超聲速應(yīng)用領(lǐng)域；Roe[37]和Osher[38]等建立通量差分分裂格式(FDS)，該格式對(duì)剪切層等類似于接觸間斷的黏性作用區(qū)具有很高的分辨率，但需要引入熵修正消除紅玉現(xiàn)象。圖11給出了Roe格式雙錐問題計(jì)算結(jié)果，能清晰可辨流場(chǎng)中三叉點(diǎn)、交叉激波以及再附點(diǎn)等結(jié)構(gòu)，充分顯示了FDS格式在接觸間斷模擬中的高分辨率[39]特性；而對(duì)流迎風(fēng)分裂AUSM系列格式[40]則是結(jié)合以上兩類格式的優(yōu)缺點(diǎn)而構(gòu)造的混合通量分裂格式，包括AUSM+、AUSMPW、AUSMPW+等，兼有間斷分辨率高和計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)。圖12是AUSM+-up2格式計(jì)算結(jié)果[41]。

另外一種重要的格式是1983年Harten[42]提出的總變差減小差分格式(TVD)，由于其捕捉激波無波動(dòng)且分辨率高，在高超聲速工程應(yīng)用上取得很大成功，后來又衍生出一系列的TVD格式。

圖11 雙錐計(jì)算流場(chǎng)結(jié)構(gòu)[39]Fig.11 Flowfield structure for double-cone case[39]

國(guó)內(nèi)對(duì)CFD格式的研究基本同步于國(guó)外先進(jìn)水平，如李松波[43]的耗散守恒格式、張涵信[44]提出無波動(dòng)無自由參數(shù)耗散性的差分格式(NND)等。其中，NND格式在高超聲速數(shù)值模擬領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[6,45-46]，圖13給出了Ma=8.15時(shí)雙橢球馬赫數(shù)等值線及壁面極限流線計(jì)算結(jié)果，表明了NND格式具有良好的激波及分離區(qū)流動(dòng)結(jié)構(gòu)分辨率。

圖12 AUSM+-up2格式計(jì)算火箭外形的壓力系數(shù)分布和流線[41]Fig.12 Pressure coefficient and streamlines of rocket configuration computed by AUSM+-up2 scheme[41]

圖13 NND格式計(jì)算所得流場(chǎng)Fig.13 Flowfield computed by NND scheme

2.2 高階精度格式

雖然二階精度格式在高超聲速工程應(yīng)用領(lǐng)域獲得了極大成功，然而，湍流、激波/邊界層干擾及剪切層等問題的精細(xì)模擬對(duì)格式的高分辨率提出了更高要求。高階精度格式在流場(chǎng)細(xì)節(jié)刻畫方面的魅力驅(qū)使著CFD研究人員在追求更高階精度格式的道路上矢志不渝。

1987年，Harten等[47]提出基本無波動(dòng)ENO格式，放寬了TVD中強(qiáng)調(diào)消除波動(dòng)的限制，并得到不斷發(fā)展[48]；1994年，Liu等[49]建立WENO格式，顯著減少流場(chǎng)中虛假波動(dòng)，并獲得迅速發(fā)展，如Shu[50]和Lin[51]等建立一系列WENO格式，并在高超聲速流動(dòng)的精細(xì)數(shù)值模擬中有大量應(yīng)用，如湍流、邊界層轉(zhuǎn)捩、聲波感受性和激波/邊界層干擾等問題，圖14為七階WENO高分辨率求解圓錐高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩問題[52]，圖中z為模型流向位置，us為流向瞬時(shí)速度，圖中給出了周向-22.5°～-52.5°位置的流向瞬時(shí)速度等值面分布。

圖14 流向瞬時(shí)速度等值面[52]Fig.14 Contours of instantaneous velocity stream component[52]

圖15 HWCNS計(jì)算所得流場(chǎng)Fig.15 Flowfield computed by HWCNS

3 更高效——時(shí)間推進(jìn)方法研究進(jìn)展

影響CFD求解效率的因素很多，如數(shù)值算法、軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及計(jì)算機(jī)運(yùn)行和存儲(chǔ)速度等，其中，數(shù)值算法是提高CFD求解效率的基礎(chǔ)，時(shí)間推進(jìn)方法又是目前多數(shù)高超聲速CFD軟件采用的離散方程迭代求解方法。

隱式時(shí)間推進(jìn)方法不受CFL(Courant-Friedrichs-Lewy)穩(wěn)定性條件限制，計(jì)算效率高，在高超聲速數(shù)值模擬中有廣泛應(yīng)用[63]，隱式時(shí)間離散、離散方程線化和線性方程求解[64]是其重要的3個(gè)步驟。其中，隱式時(shí)間離散有基于Taylor展開的隱式后差格式和隱式(半隱式)Runge-Kutta(R-K)格式，前者格式簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、存儲(chǔ)量小，適用于定常問題求解[65]，后者分辨率高、色散特性好，但存儲(chǔ)量較大[66]。在離散方程線化方面，Rizzetta等[67]發(fā)展了交錯(cuò)方向隱式(ADI)方法，Whitfield和Taylor[68]建立了數(shù)值求解雅可比矩陣方法，相比于近似雅可比矩陣，線化過程引入誤差小，具有良好的收斂性和魯棒性。線性方程組求解是影響隱式時(shí)間推進(jìn)方法整體計(jì)算效率的重要方面，在高超聲速數(shù)值模擬中，常用的有松弛迭代、近似因子分解和Krylov方法等。其中，LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)方法[69]存儲(chǔ)量小、計(jì)算效率高，在高超聲速數(shù)值模擬中應(yīng)用最為廣泛，具有較好的發(fā)展，如Chen等[70]針對(duì)有限體積方法建立的BLU-SGS(Block LU-SGS)能夠顯著提高激波問題模擬的收斂速度，Jameson和Caughey[71]結(jié)合LU-SGS和多種加速收斂技術(shù)建立了一種高效隱式時(shí)間推進(jìn)方法。

與此同時(shí)，隱式時(shí)間推進(jìn)方法推廣到高階精度空間離散格式的研究也取得了成功，代表性的工作有：Rizzetta等[67]將ADI方法推廣到高階緊致格式中，具有較高的計(jì)算效率和模擬精度；Pareschi和Russo[72]將半隱式R-K方法應(yīng)用于WENO格式；Gottlieb和Mullen[73]將LU-SGS和WENO格式結(jié)合，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好；Zhong[74]采用半隱式三階R-K求解Navier-Stokes方程，精確模擬了二維Ma=5和Ma=15的拋物線前緣對(duì)聲波的感受性；Ekaterinaris[75]針對(duì)線性緊致格式，構(gòu)造了四階精度隱式方法；張毅鋒[76]將GMRES算法用于WCNS格式的計(jì)算中，顯著提高了計(jì)算效率，如圖16所示，采用以LU-SGS、Gauss-Seidel(G-S)點(diǎn)松弛(PR)、線松弛(LR)為預(yù)處理的GMRES方法收斂性明顯優(yōu)于前3種方法，并且作為雙時(shí)間步方法的子迭代在聲波感受性問題的DNS模擬中進(jìn)行了非定常計(jì)算，圖中DT為時(shí)間步長(zhǎng)，LUSGS為上下對(duì)稱G-S方法。

圖16 最優(yōu)收斂曲線(Ma=10，球頭)[76]Fig.16 Optimal convergence histories (Ma=10, sphere)[76]

由此可知，隱式時(shí)間推進(jìn)方法不僅推動(dòng)了CFD本身的發(fā)展，同時(shí)也推動(dòng)了CFD在復(fù)雜流動(dòng)工程問題中的應(yīng)用，然而在高階精度數(shù)值模擬方面，仍存在諸多問題需要解決，如誤差和收斂性問題[75]、復(fù)雜網(wǎng)格影響問題[77]以及多方程耦合求解問題[78]等。

4 數(shù)值模擬準(zhǔn)度與精度的正確評(píng)價(jià)

要求高超聲速數(shù)值模擬的結(jié)果更加精確和準(zhǔn)確，意味著計(jì)算結(jié)果的不確定度(Uncertainty)和誤差(Error)更小。其中最為重要的兩個(gè)問題是：搞清楚誤差和不確定度的定義和來源，建立誤差和不確定度的分析方法。

4.1 誤差和不確定度的定義和來源

美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)(AIAA)[79]定義誤差為“在建模與模擬的過程中可以被認(rèn)識(shí)到的缺陷或問題，而這種缺陷或問題并非是由于認(rèn)知的不足而導(dǎo)致”，不確定度為“在建模過程中由于認(rèn)識(shí)不足而導(dǎo)致的潛在的功能與表現(xiàn)上的不足”。另外，美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)(ASME)和美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等都對(duì)CFD的誤差和不確定度進(jìn)行了規(guī)范化定義[80]，張涵信院士[81]提出將不確定度解讀為計(jì)算值或?qū)嶒?yàn)值與真值準(zhǔn)確到前n位，從而給出不確定度表達(dá)式和真值估算的原則。

不考慮計(jì)算機(jī)舍入、程序編寫錯(cuò)誤以及幾何外形差異所帶來的誤差，在高超聲速數(shù)值模擬中，物理建模、時(shí)空離散以及來流條件變化是給計(jì)算結(jié)果帶來誤差和不確定度的主要來源。其中，物理建模誤差來自建立控制方程和邊界等時(shí)的基本假設(shè)、近似和簡(jiǎn)化。然而，高超聲速問題的物理模型非常復(fù)雜，使得傳統(tǒng)誤差理論難以適用，通常只能以不同物理模型或參數(shù)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)散布度給出名義上的不確定度；時(shí)空離散誤差包括時(shí)間離散、空間離散以及初始/邊界條件離散帶來的誤差；來流條件變化引入的誤差和不確定度主要來自大氣環(huán)境參數(shù)的不確定性和數(shù)據(jù)庫插值過程帶來的誤差等。圖17是不同大氣密度(包括航天飛機(jī)飛行實(shí)測(cè)值)與美國(guó)1976標(biāo)準(zhǔn)大氣的密度比值(ρ/ρ76)，其不確定度在高度H為48～69 km的范圍內(nèi)約為5%，而在70～80 km的范圍內(nèi)最大達(dá)到16%[82]。

圖17 不同大氣標(biāo)準(zhǔn)的密度比較[82]Fig.17 Comparison of different atmosphere density data[82]

4.2 誤差和不確定度的分析方法

對(duì)于高超聲速數(shù)值模擬，在所有誤差和不確定度來源中，只有少部分能進(jìn)行誤差估計(jì)，如迭代誤差和空間離散誤差，而大部分只能進(jìn)行不確定度估計(jì)，研究方法可分為概率方法(考慮模型輸入與輸出概率結(jié)構(gòu))和非概率方法。

4.2.1 誤差估計(jì)方法

CFD計(jì)算通常只收斂到可接受的含有一定迭代誤差的結(jié)果。E?a和Hoekstra[83]給出迭代誤差估計(jì)的建模方法，假設(shè)數(shù)值解近似為指數(shù)收斂，構(gòu)造幾何級(jí)數(shù)誤差模型形式，利用不同迭代步計(jì)算數(shù)據(jù)確定待定系數(shù)，最終獲得誤差估計(jì)模型。圖18是針對(duì)類航天飛機(jī)外形開展的迭代誤差估計(jì)，選取適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)點(diǎn)采集間隔步i，可獲得與真實(shí)誤差(Real Error)較為一致的迭代誤差估計(jì)值。

而CFD中的空間離散誤差與計(jì)算網(wǎng)格密不可分，按所需網(wǎng)格數(shù)量的不同分為兩大類：一類是基于單套網(wǎng)格的方法，如基于離散誤差傳播方程的方法[84-85]；另一類是基于多套網(wǎng)格的方法，基本思想是針對(duì)不同尺度下的網(wǎng)格解fk，利用擬合或外插等手段，獲得剔除空間離散誤差的“精確解”fexact，并給出空間離散誤差的估計(jì)值。第2類方法的關(guān)鍵是“精確解”的求取，包括最小二乘法、多項(xiàng)式方法、冪指數(shù)律方法以及三次樣條方法等[86]。對(duì)于高超聲速數(shù)值模擬而言，基于多項(xiàng)式泰勒展開的Richardson外插法最為常用[87-89]。該方法的基本思想是利用誤差行列展開式，結(jié)合多套網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果，通過網(wǎng)格收斂性研究，獲得網(wǎng)格外插解，并以此為基礎(chǔ)研究空間離散誤差。該方法要求所有網(wǎng)格解單調(diào)收斂并落于收斂域內(nèi)，且激波等強(qiáng)間斷區(qū)域可能出現(xiàn)不同階誤差項(xiàng)抵消而影響對(duì)精度的判斷，但目前來說，在高超聲速數(shù)值模擬方面，該方法仍是預(yù)測(cè)數(shù)值空間離散誤差最魯棒的方法。圖19是利用該方法針對(duì)T2-97外形開展的離散誤差估計(jì)，由圖可知，數(shù)值解隨著網(wǎng)格細(xì)化(h變小)，具有很好的收斂性，x/L=1.139 8位置的Stanton數(shù)數(shù)值預(yù)測(cè)精度約為二階[88]。

圖18 迭代誤差估計(jì)Fig.18 Estimation of iterative error

圖19 離散誤差估計(jì)[88]Fig.19 Estimation of spatial error[88]

4.2.2 不確定度估計(jì)方法

(1)

敏感性導(dǎo)數(shù)的求解是該方法的關(guān)鍵，常用的有有限差分、復(fù)變方程、自動(dòng)微分、敏感性方程以及離散伴隨方法等。圖20是針對(duì)類航天飛機(jī)外形開展的來流敏感性不確定度估計(jì)研究，其中，壁面溫度Tw=400 K左右時(shí)，Tw每變化10 K將引起軸向力系數(shù)CA約0.6%的不確定度。

圖20 壁面溫度變化引起的氣動(dòng)力系數(shù)不確定度估計(jì)值Fig.20 Estimation of aerodynamic coefficient uncertainty induced by variety of wall temperature

5 結(jié) 論

高超聲速流動(dòng)因其固有的特點(diǎn)(強(qiáng)間斷、強(qiáng)黏性、真實(shí)氣體效應(yīng)、稀薄氣體效應(yīng)等)，對(duì)相應(yīng)的數(shù)值模擬技術(shù)提出了更高的要求。雖然近年來在網(wǎng)格生成、數(shù)學(xué)物理建模、數(shù)值方法構(gòu)造以及結(jié)果可靠性評(píng)估等方面取得了巨大成就，但為了獲得更準(zhǔn)確、更可靠的氣動(dòng)數(shù)據(jù)，更為精細(xì)地研究高超聲速?gòu)?fù)雜物理現(xiàn)象，仍有大量工作要做。

1) 在物理模型方面，目前所發(fā)展的化學(xué)反應(yīng)模型基本能滿足高溫真實(shí)氣體效應(yīng)的研究，但對(duì)于更高飛行速度范圍，如第二宇宙速度再入問題，目前的物理模型是否適合仍需確認(rèn)。按流域劃分稀薄氣體效應(yīng)研究方法能滿足跨流域計(jì)算的需要，但仍需開展具有更高效率的跨流域統(tǒng)一算法研究。基于RANS的湍流模式理論能解決復(fù)雜布局的流動(dòng)問題模擬，但這些模型的驗(yàn)證與確認(rèn)仍是最大的挑戰(zhàn)。針對(duì)簡(jiǎn)單問題的高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩研究取得了一些進(jìn)展，但對(duì)于復(fù)雜流動(dòng)或復(fù)雜外形仍有待進(jìn)一步研究，尤其需重點(diǎn)關(guān)注γ-Reθ模型能否很好地模擬高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩流動(dòng)問題。

2) 在數(shù)值計(jì)算方法方面，目前常規(guī)的二階迎風(fēng)格式在流動(dòng)模擬中取得了很大成就，基本能滿足飛行器工程設(shè)計(jì)及流動(dòng)機(jī)理分析的需要，高階格式應(yīng)用也獲得了初步成功，但對(duì)于更為精細(xì)的模擬，如臨近空間環(huán)境下飛行器摩擦阻力與表面熱流預(yù)測(cè)、精細(xì)的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象研究(如激波/邊界層干擾、分離區(qū)模擬等)，仍需要大力發(fā)展在色散、耗散特性、邊界層分辨率以及分離區(qū)刻畫等方面具有優(yōu)良特性的高階精度格式，尤其是解決這些格式在復(fù)雜問題中的應(yīng)用問題。在提高計(jì)算效率方法，不僅要發(fā)展具有更高效率的求解方法，更要與高性能計(jì)算機(jī)(HPC)相結(jié)合，充分利用HPC硬件與其先進(jìn)的框架，提高CFD軟件的大規(guī)模并行能力。

3) 在數(shù)值模擬可信度研究方面，針對(duì)高超聲速數(shù)值模擬的特點(diǎn)，理清了迭代誤差估計(jì)、空間離散誤差估計(jì)以及不確定度的非概率及概率方法的原理、流程，初步開展了E?a迭代誤差建模方法、Richardson外插法以及敏感性導(dǎo)數(shù)不確定度估計(jì)等方法在高超聲速數(shù)值模擬可信度研究中的適用性驗(yàn)證。下一步需開展高超聲速CFD模擬的驗(yàn)證與確認(rèn)研究，關(guān)注確認(rèn)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，重點(diǎn)進(jìn)行誤差與不確定度量化分析。

此外，在復(fù)雜外形幾何處理與網(wǎng)格生成、知識(shí)提取(海量數(shù)據(jù)處理、可視化、數(shù)據(jù)庫生成等)等方面仍需開展大量工作?？傮w上，在高超聲速流動(dòng)數(shù)值模擬方法方面，國(guó)內(nèi)研究工作已在國(guó)際上占有一席之地，在湍流模擬研究中也有一些可圈可點(diǎn)的工作，但在數(shù)值模擬結(jié)果可靠性評(píng)估方法方面，還處于起步階段。

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Tel: 0816-2472011

E-mail: tangzhigong@sina.com

陳堅(jiān)強(qiáng) 男， 博士， 研究員， 博士生導(dǎo)師。主要研究方向：高超聲速數(shù)值模擬研究。

Tel: 0816-2463011

E-mail: jq-chen@263.net

*Corresponding author. Tel.： 0816-2463011 E-mail: jq-chen@263.net

More fidelity, more accurate, more efficient—progress on numerical simulations for hypersonic flow

TANG Zhigong, ZHANG Yirong, CHEN Jianqiang*, MAO Meiliang, ZHANG Yifeng, LIU Huayong

ChinaAerodynamicsResearchandDevelopmentCenter,Mianyang621000,China

The progress of numerical simulations capability, which is related to fidelity, accuracy and efficiency, for prediction of hypersonic flow during the last several decades are reviewed. For physical modeling, the current status of modeling and simulation about high-temperature gas effects, rarefied gas effects and turbulence effects in hypersonic flow simulations is reviewed. And great emphasis is placed on hypersonic boundary layer transition modeling based on Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations. For spatial discretization schemes, a review of development and application for usual 2nd order upwind schemes and high-order schemes are given. For time marching schemes, development and application for implicit time marching schemes is briefly summarized. For uncertainty quantification, a review of its concept, source and analysis method is firstly addressed, and then the primitive results of iterative error estimation, spatial discretization error analyses using Richardson extrapolation and uncertainty quantification using sensitivity derivatives are also presented. At last, some possible future directions on numerical simulations for hypersonic flow are discussed.

hypersonic flow; numerical simulation; physical modeling; numerical method; error; uncertainty

2014-07-25； Revised： 2014-08-26； Accepted： 2014-09-15； Published online： 2014-09-16 16:02

National Nature Science Foundation of China (11372342)

2014-07-25; 退修日期： 2014-08-26; 錄用日期： 2014-09-15; 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間： 2014-09-16 16：02

www.cnki.net/kcms/detail/10.7527/S1000-6893.2014.0231.html

國(guó)家自然科學(xué)基金 (11372342)

Tang Z G, Zhang Y R, Chen J Q, et al. More fidelity, more accurate, more efficient—progress on numerical simulations for hypersonic flow[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2015， 36(1)： 120-134. 唐志共， 張益榮， 陳堅(jiān)強(qiáng)， 等. 更準(zhǔn)確、更精確、更高效——高超聲速流動(dòng)數(shù)值模擬研究進(jìn)展[J]. 航空學(xué)報(bào)， 2015， 36(1)： 120-134.

http://hkxb.buaa.edu.cn hkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2014.0231

V211.3

A

1000-6893(2015)01-0120-15

唐志共 男， 博士， 研究員， 博士生導(dǎo)師。主要研究方向：超聲速與高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)研究。

*通訊作者.Tel.： 0816-2463011 E-mail: jq-chen@263.net

URL： www.cnki.net/kcms/detail/10.7527/S1000-6893.2014.0231.html