高精度计算流体力学软件Hoam- OpenCFD开发 - CNICescj.cnic.cn/fileup/PDF/ES200900051.pdf · 的数值方法。在数值方法上往往采用较低精度的有限体积法，通

APPLICATION e-Science 应用

e-Science 2010年5月 53

高精度计算流体力学软件Hoam-OpenCFD开发

李新亮傅德薰马延文梁贤

中国科学院力学研究所，北京 100190

介绍了自主开发的高精度计算流体力学软件Hoam-OpenCFD的特点、基本结

构、可扩展性测试结果及典型应用算例。并行计算测试显示了该软件具有良

好并行效率及高度的可扩展性。通过航天、航空及湍流基础研究领域的三个

典型应用算例展示了该软件的计算结果。

计算流体力学;复杂流动;高精度模拟

Computational Fluid Dynamics; Complexity flow; High accuracy analog

A high accuracy CFD software Hoam-OpenCFD is introduced in this paper, which includes the software's framework, main function and the test cases. Three application cases of the software in aeronautics and astronautics are also shown, and the software show very high parallel performance during the test cases.

Development of High Accuracy CFD Software Hoam-OpenCFD

Li Xinlang，Fu Dexun，Ma Yanwen，Liang Xian

Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100190，China

摘要：

关键词：

Abstract:

Keywords:

e-Science 技术 APPLICATIONe-Science 应用

54 e-Science 2010年5月

1.前言

科研及工程领域存在大量

的流体力学问题。如航空航天领

域的空气动力学问题；河流、水

利领域的水力学问题；环境、气

象领域的大气流动问题；燃烧及

化学反应中的流动问题等等。先

前解决这些流体力学问题主要依

靠实验，后来随着计算机的发展

及数值计算技术的成熟，数值计

算逐渐成为解决这些流体力学问

题的有效方法，这就是计算流

体力学（Computational Fluid

Dynamics, CFD）[1,2]。计算流体力

学离不开计算软件及程序，目前

国内外已经有了一些商用计算流

体力学软件（简称CFD软件），如

Fluent,Star-CD,CFL3D等，这些

软件的通用性较好，能够解决多

种工程流动问题。但由于商业CFD

软件过于强调软件的通用性及鲁

棒性，往往会牺牲算法的精度及

效率，常采用较低精度及分辨率

的数值方法。在数值方法上往往

采用较低精度的有限体积法，通

常不超过二阶精度；在湍流等复

杂流的模型处理上多采用平均化

的湍流模式理论计算。受数值精

度及流动模型的限制，商业CFD软

件通常用来计算流动的整体特征

及大范围的平均特征，而很难描

述流动的复杂结构及细节。而流

动机理研究、湍流模型建立以及

先进飞行器设计中往往需要高分

辨率的流动细节，很难采用常规

的商业CFD软件计算。此外，目前

的商用CFD软件通常十分昂贵，其

单个许可证（License）的价格通

常要数万甚至数十万元，且一个

许可证只能支持一个CPU核心。如

果要大规模并行计算，必须购买

足够多的许可证，其购买成本

极为惊人。而网格计算的通常

规模相当巨大，如果完全使用

商业CFD软件进行流体力学方面

的网格计算，其投资也是承受

不起的。

国内外也有些流体力学数值

模拟的自由软件或半自由软件，

但这类软件多为针对某些特定流

动开发的程序，通用性较差。另

外这类软件有些也并非是完全开

放的，直接使用该类软件也会遇

到版权问题。目前国内还没有精

度高、通用性好并具有自主产权

的CFD软件，因此开发这类软件是

十分必要的。

2. 软件的特点和基本结构

在自然科学基金及中国科学

院网络中心等单位的资助下，作

图1 软件Hoam-OpenCFD的结构框图



者在原有CFD程序的基础上开发

了一套高精度计算流体力学软件

Hoam-OpenCFD。该软件主要特点

是精度高。通过高精度的数值模

拟，既可以得到流动的整体及平

均特性，又能获得流动的细节，

以达到揭示新的物理现象的目

的。该类软件可以用于各种流动

机理研究及复杂工程流动的数值

计算。本软件采用高精度差分方

法求解控制流动的Navier-Stokes

方程组，其核心为差分算法库。

差分库包含了目前流行的大部分

差分方法，既包括了最高可达十

阶精度的高精度差分格式，又包

含了工程计算常用的二阶精度差

分格式，同时也包含了开发者建

立的多种差分算法。同时本软件

给用户预留标准接口，用户可以

自由添加自己的数值方法。

可压缩N-S方程求解程序的基

本结构如图1所示，在主控模块的

控制下，求解程序首先读入初值

及网格信息，随后调用无粘项求

解程序及粘性项求解程序来求解

无粘及粘性项，随后完成边界条

件的处理及时间推进。用户可以

通过主控模块来控制各求解程序

的具体解法，例如可以控制无粘

项求解程序采用流通矢量分裂，

也可以不采用流通矢量分裂；可

以控制粘性项求解程序调用湍流

模型库，也可以不调用湍流模型

库（层流或湍流的直接数值模

拟）。另外主控模块可以根据用

户的需求来调用各类差分方法、

边界条件及时间推进方法。求解

程序采用MPI Fortran 90程序设

计，具有非常好的可扩展性及并

行效率。

3. 软件的可扩展性及并

行效率

在深腾7000上对本软件的可

扩展性及并行效率进行了测试。

测试算例为压缩折角流动的直接

数值模拟（见本文第4.1节）。

控制方程为一般曲线坐标系下的

可压缩Navier-Stokes方程。无

粘项采用Martin等人构造的WENO-

SYMBO格式[3]进行离散，粘性项采

用8阶精度的中心差分格式离散，

时间推进采用三阶Runge-Kutta显

格式。计算网格点数为2160(流

向）*160(法向）*140（展向），

总数约为5千万，总内存使用约

200G。

使用64、128、256、512及

1024CPU(核心)进行了计算，计

算时间、加速比及并行效率见表1

及图1。从中可以看出，以64CPU

的计算为基准，使用128、256及

512CPU均获得了非常好的并行效

率（98%）；使用1024CPU时，并

行效率有所下降，但仍达到了

83%。使用1024CPU效率下降也许

与其他作业的干扰有关。计算记

录显示，使用1024CPU运行时，每

步计算时间为0.95秒~1.1秒不等

（每步的计算量是相同的），如

果按照每步0.95秒计算，计算效

表1 使用不同CPU数目的计算时间、加速比及并行效率（测试1，网格点5千万）

表2 使用不同CPU数目的计算时间、加速比及并行效率（测试2，网格点5亿）



率为90%。

作者还进行了一组计算规模

更大的测试，计算的网格点为5

亿，总体内存使用2500G，运行时

间及并行效率见表2。可以看出本

软件使用2048个CPU核心时，并行

效率仍达到了78.8%, 因而具有很

好的可扩展性。

4.应用算例

4.1 压缩折角激波-边界层干扰问

题的直接数值模拟

激波-湍流边界层干扰问题

是吸气式高超声速飞行器进气道

设计中的关键复杂流动问题之

一，也是目前高超声速复杂流动

研究的一个热点[3]。压缩折角是

该复杂流动问题的一个最典型的

模型，国内外对其进行了大量的

实验研究。直接数值模拟是研究

其流动机理的一个有力工具，但

由于流动复杂、计算量巨大，目

前国际上成功的直接数值模拟算

例十分有限。作者利用自行开发

的Hoam-OpenCFD软件进行了大规

模并行计算，得到与实验吻合十

分理想的数值计算结果。计算模

型为：来流Mach数2.9，Reynolds

数2400/mm的湍流场吹过一个24°

的折角，在折角区域产生了角区

分离、分离激波以及激波-边界层

湍流相互干扰等复杂现象(图3)。

图4显示了某一瞬时的数值纹影图

（密度梯度的等值面），可以看

出分离激波、再附激波、边界层

分离等复杂的流动现象，而商业

CFD软件很难得到这样丰富的流动

细节。图5为数值计算得到的平均

壁面压力分布，可以看出本计算

结果与实验吻合非常理想，验证

了本软件计算的可靠性。

4.2 钝锥边界层转捩的直接数值模

拟[4]

钝锥是导弹及运载火箭的典

图2 计算时间及加速比随CPU数目的变化

图3 压缩折角流动的瞬时温度分布图



型头部外形，在飞行状态下，该

钝锥体周围的流动将发生转捩，

流态从层流转变为湍流。由于边

界层内的流动直接决定了飞行器

的气动力及气动热布局，对飞行

器的气动设计至关重要，因而钝

锥边界层的转捩问题是高速空气

动力学研究的一个热点方向。

作者利用本软件进行了球钝锥

边界层湍流转捩的直接数值模

拟。计算参数为：来流Mach数

6，Reynolds数10000/mm, 头半

径1mm, 1°攻角。计算采用曲

线坐标系下的Navier-Stokes方

程，无粘性采用七阶精度的WENO

格式，粘性项采用八阶精度的中

心差分格式，时间推进采用三阶

Runge-Kutta方法。本计算网格

数为4000(流向）*1400(周向）

*90（法向），总网格点数达到了

约3.2亿，因而计算量非常巨大，

采用256CPU核心需连续计算3个月

左右。

图6为本计算得到的锥身上的

摩擦阻力系数分布。从中可以看

出锥的前部摩擦阻力系数较低而

后部摩擦阻力系数较高。而摩擦

阻力系数存在一个迅速增加的突

跃区，该区即为转捩区。图中用

虚线画出了锥体上的转捩线，可

以看出该转捩线从背风面到迎风

面非单调分布，在从背风面算起

20°~30°范围内存在一个大幅推

后的区域。该非对称转捩现象将

会对飞行器的气动力布局产生重

要影响。

4.3 超临界翼型气动力的计算[5]

本软件除了可进行复杂流

动的精细计算，还可以采用湍流

模式理论，对工程应用关注的

平均量进行快速计算。作为模

型问题，作者计算了RAE2822翼

型跨音速扰流的气动力分布。

该问题是NASA CFD验证计划的

一个标准模型[5]，流动参数为：

图4 折角区域的数值纹影图

图6 锥身上的转捩位置分布

图5 平均壁面压力分布



Mach数0.729，弦长Reynolds数为

6.5×106,攻角2.31°。与前面两

个算例不同，本算例采用工程湍

流模式理论进行计算，该计算模

型仅需计算湍流的平均量，无需

计算湍流小尺度脉动，因而网格

的分辨率可以大大降低，计算周

期很短。图7为本文计算的翼型

上的压力系数分布，本计算采用

B-L湍流模型，分别使用了五阶

及七阶差分法进行了计算。从中

可以看出，本文的计算结果与实

验值吻合非常理想，验证了本软

件的可靠性。图8为翼型周围的

压力分布，可以看出翼型上表面

存在清晰的激波结构，显示了本

软件具有很高的激波分辨率。

5.小结

本文论述了高精度计算流体

力学软件开发的必要性，介绍了自

主开发的高精度计算流体力学软件

Hoam-OpenCFD的特点、基本结构、

可扩展性测试结果及典型应用算

例。并行计算测试显示了该软件具

有良好并行效率及高度的可扩展

性。通过航天、航空及湍流基础研

究领域的三个典型应用算例展示了

该软件的计算结果。本软件可支持

万核级的超级计算，可为网格计算

应用服务提供流体力学方面的基础

软件支持。

图7 翼型上的压力系数图8 翼型周围的压力分布



收稿时间：2010年1月19日

李新亮

中国科学院力学研究所研究员。理学博士。目前从事计算流体力学及湍流研究。

作者信息

本项目得到自然科学基金、中科院信息化专项及863项目的资助（Nos. 10872205，INFO-115-B01）

[1] 傅德薰，马延文.计算流体力学，北京，高等教育出

版社.

[2] 阎超主编，计算流体力学方法及应用.

[3] Wu M amd Martin MP. Direct numerical simulation of

supersonic turbulent boundary layer over a compression

ramp. AIAA Journal. 45(4),879-889,2007.

[4] Xinliang Li, Dexun Fu and Yanwen Ma，Direct numerical

simulation of hypersonic boundary-layer transition over a blunt

cone， AIAA Journal, 46（11），2899-2913，2008.

[5] http://www.grc.nasa.gov/WWW/wind/valid/validation.html.

参考文献:

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