ShockFluidX：一种基于OpenFOAM的新型高速流动模块化求解器

机械工程 工程学 航空航天工程
计算流体动力学 高速流动 OpenFOAM 模块化求解器 自适应网格细化

学术背景

高超声速技术是航空航天领域的重要研究方向，其应用范围涵盖了国防、航天发射和超高速商业航空等多个关键领域。随着计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）技术的快速发展，高精度CFD模拟在高超声速飞行器设计中扮演着越来越重要的角色。然而，尽管开源CFD框架如OpenFOAM已被广泛应用，现有的基于密度的求解器在处理现代高超声速飞行器设计的复杂需求时仍面临诸多限制。特别是，商业软件的高昂许可费用和闭源性质限制了其广泛应用，而现有的开源工具在算法成熟度、功能完整性和验证方面仍存在不足。

为了解决这些问题，南京理工大学能源与动力工程学院的王尚和张小兵团队开发了一款基于OpenFOAM v12的新型模块化可压缩流动求解器——ShockFluidX。该求解器在现有ShockFluid框架的基础上，引入了多项关键创新，旨在提高计算效率和精度，特别是在处理复杂高超声速流动问题时。该研究于2025年4月18日发表在《Physics of Fluids》期刊上，论文题目为“ShockFluidX: A Novel OpenFOAM-Based Modular Solver for High-Speed Flows”。

研究流程与创新

1. 求解器架构与设计

ShockFluidX的核心设计基于OpenFOAM v12的模块化架构，通过引入PIMPLE算法实现了与Runge-Kutta时间方案相当的稳定性，同时保持了计算效率。求解器的主要功能模块包括：

  • FluxSchemes模块：实现了多种对流通量计算方法，如Kurganov、Tadmor、Roe、HLL系列和AUSM系列等。
  • FluxLimiters模块：引入了多种高分辨率总变差减小（Total Variation Diminishing, TVD）通量限制器，包括SGVA、SGVL、SGPRK和SSFL等。
  • MultiDimAMR模块：支持多维自适应网格细化（Adaptive Mesh Refinement, AMR），包括1D、2D、2.5D和3D网格的动态负载平衡。
  • FVModels模块：处理复杂的物理过程及其与主求解器的交互，如拉格朗日粒子、辐射和表面膜等。
  • FVConstraints模块：管理数值约束和解决方案限制，确保解的稳定性和物理边界。

2. 数值方法与扩展

ShockFluidX在数值方法上进行了多项扩展，以增强其处理高超声速流动的能力：

  • 对流通量方案的扩展：通过运行时选择机制（Run-Time Selection, RTS），用户可以动态选择不同的对流通量计算方法，如Kurganov、Tadmor、Roe、HLLC和AUSM系列等。
  • 高分辨率通量限制器的实现：引入了多种高分辨率通量限制器，如SGVA、SGVL、SGPRK和SSFL，以及Round系列方案，显著提高了数值精度和稳定性。
  • 多维自适应网格细化（AMR）的开发：通过修改和整合社区贡献的二维和轴对称案例，实现了1D、2D、2.5D和3D多维AMR，并支持动态负载平衡（Dynamic Load Balancing, DLB）。

3. 验证与验证研究

为了验证ShockFluidX的性能，研究团队进行了系统的验证和验证研究，涵盖了从简单的一维问题到复杂的二维流动问题。主要的验证案例包括：

  • 一维激波管问题：通过Sod和Lax问题的数值解与精确解的对比，验证了PIMPLE算法在提高计算稳定性和精度方面的有效性。
  • Shu-Osher问题：通过模拟Mach 3激波通过正弦密度场的传播，验证了高分辨率通量限制器在捕捉激波-湍流相互作用中的优越性能。
  • 二维Riemann问题：通过模拟复杂的波相互作用，验证了ShockFluidX在处理多维流动问题中的能力。
  • 双Mach反射问题：通过对比不同求解器和网格策略的计算结果，验证了多维AMR和动态负载平衡模块在提高计算效率和精度方面的有效性。

主要结果与结论

1. 一维激波管问题

在Sod和Lax问题的数值模拟中，ShockFluidX表现出优于RhocentralFoam和BlastFoam的计算稳定性和精度。特别是在使用PIMPLE算法的情况下，ShockFluidX显著减少了数值振荡，确保了解的稳定性和有界性。

2. Shu-Osher问题

在高分辨率通量限制器的支持下，ShockFluidX在捕捉激波-湍流相互作用中的表现优于传统的van Leer限制器。特别是在使用SGVA、SGVL、SGPRK和SSFL限制器的情况下，ShockFluidX显著减少了数值耗散，提高了激波捕捉能力。

3. 二维Riemann问题

在二维Riemann问题的数值模拟中，ShockFluidX表现出优于传统限制器的计算精度和稳定性。特别是在使用Round系列限制器的情况下，ShockFluidX能够更好地捕捉滑移线上的Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性结构。

4. 双Mach反射问题

在多维AMR和动态负载平衡模块的支持下，ShockFluidX在双Mach反射问题中的计算效率显著提高。与BlastFoam和RhocentralFoam相比，ShockFluidX在保持相同计算精度的同时，计算时间减少了15%至260%。

研究意义与价值

ShockFluidX的开发标志着开源CFD工具在高超声速流动模拟领域的重要进展。其模块化设计和高分辨率数值方法不仅提高了计算效率和精度，还为未来的多物理场耦合应用提供了强大的数值模拟工具。该求解器的成功验证为航空航天工程应用中的高精度CFD模拟提供了新的可能性，特别是在处理复杂高超声速流动问题时。

研究亮点

  • 模块化设计：ShockFluidX的模块化架构使得新功能的集成更加便捷，同时保持了代码的可维护性和计算效率。
  • 高分辨率数值方法：通过引入多种高分辨率通量限制器和Round系列方案，ShockFluidX显著提高了数值精度和稳定性。
  • 多维AMR与动态负载平衡：ShockFluidX支持1D、2D、2.5D和3D多维AMR，并实现了动态负载平衡，显著提高了计算效率和资源利用率。

未来展望

未来的研究将重点关注以下几个方面： - 实现更多的对流通量方案：如HLLC-LM，以支持全马赫数计算。 - 扩展多维AMR功能：支持任意多面体网格的各向异性细化。 - 验证多组分和拉格朗日模块：进一步提高求解器在复杂工程应用中的适用性。

通过不断的优化和扩展，ShockFluidX有望成为高超声速流动模拟领域的标杆工具，为航空航天工程提供更加精确和高效的数值模拟解决方案。