2026 年 11 月 12 日
来源：树 National 国家实验室 (ORNL)
高精度空气动力学模拟是设计更安全、高效及低油耗商用飞机的关键。然而，鉴于气流物理过程的极端复杂性，航空航天工业亟需更强的计算能力以捕捉湍流等混乱状态。
为此，波音研究人员借助了位于美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的全球最强开放科学超级计算机——Frontier。通过提升模拟能力，波音团队得以更准确地预测结冰及微湍流对飞行性能的影响，特别是在复杂的着陆配置场景下。相关研究成果已发表于《流体力学杂志》（Journal of Fluid Mechanics）。
这些前沿模拟旨在指导空气动力学设计的改进，缓解飞行测试中发现的问题，并支持开发更省油的飞机机型。
波音空气动力学工程师亚当·克拉克（Adam Clark）指出：“我们力求尽可能长时间地保持层流飞行模式，因为这是最节省燃油的方式。降低燃油消耗不仅有助于减少航空公司的运营成本，也可能转化为消费者更低的机票价格。”
波音的研究数据显示，在巡航条件下，每降低 1% 的阻力，即可使飞行中的燃料消耗降低约 0.75%。
“改善空气动力学设计要求我们在极细密网格上模拟气流的能力大幅提升，”波音空气动力学工程师 Konrad Goc 表示，“但如果没有更强大的计算机，这一目标无法有效实现。”
气流的微观力学挑战
湍流是一个持续运动的混沌非线性系统，准确预测其表现极具数学难度。事实上，传统物理学尚无法完全解决湍流问题。
精确预测气流需要对空气分子运动具备近乎微观层面的理解。关键在于边界层——即紧贴机翼表面的薄层空气与物体表面的相互作用，这种作用产生阻力，从而减缓飞机速度并增加燃料消耗。
克拉克强调：“仅仅研究飞机遇到的湍流是不够的，我们需要从根本上理解它。”
为了直观解释层流与湍流中空气分子的差异，可以想象桌面上的一堆鸡蛋：若用双手缓慢推动，它们会保持整齐；但若突然快速移动，它们会以复杂且混乱的方式相互作用。
计算流体动力学的工程应用
评估飞机空气动力学主要依赖三种互补方法：风洞实验、飞行测试以及基于高性能计算的计算流体动力学（CFD）模拟。这三种手段共同验证和完善设计方案，直至达成最终解决方案。
风洞设施能在受控环境中复制广泛的空气动力学条件，而飞行测试则提供飞机性能的终极评估。尽管两者不可或缺，但资源耗费巨大。相比之下，CFD 模拟为部分物理测试提供了更快、成本更低且风险更小的替代方案。
“过去 20 到 30 年间，计算机建模使我们能够从进行 20 多次风洞实验缩减至目前的几种机翼变体测试，”克拉克说道，“我们的目标并非取代风洞，但在物理测试中常出现无法解释或缺乏数据的现象，这正是 CFD 模拟能够揭示的部分。”
CFD 背后的科学原理
该团队的计算工作聚焦于高升力空气动力学，涵盖低速起飞和降落阶段。
当飞机接近机场时，机翼部件会发生前后移动。研究重点在于分析随着迎角或俯仰角增加，机翼空气动力学特性的变化规律，以此优化工程实践并提高预测准确性。
CFD 模拟通过在飞机及其部件上叠加网格来模拟气流。网格包含数以亿计甚至更多的单元，尺寸可小至毫米级。模拟过程计算每个单元的速度、压力和温度等属性，进而可视化组件上的气流分布，并最终整合出飞机整体空气动力学性能的完整图像。
湍流模拟的复杂度各异。工程师长期依赖雷诺兹平均纳维 - 斯托克斯方程（RANS），该方法在统计上能较快且实用地模拟全机湍流，但在捕捉复杂不稳定流动方面存在局限。
更高精度的方法如大涡模拟（LES），可在边界层附近解析更大的湍流结构和更细微尺度，但计算成本显著增加。
最高精度层级是直接数值模拟（DNS），无需建模即可解析所有湍流细节，提供最大准确性。然而，其对算力的巨大需求使得全尺寸飞机模拟难以实现。
克拉克解释道：“如果我们在内部系统上运行全尺寸的壁面解析 DNS……但我们追求的并非单一答案，而是了解整个过程中气流变化的系列结果，例如飞机起飞后爬升阶段气流开始稳定时的情况。因此，我们需要对湍流模型代码的性能建立信心。”
超大规模计算的力量
Frontier 是世界上第一台性能高达每秒 2 exaflops（2000 亿亿次浮点运算）的超级计算机。波音通过美国能源部的 INCITE 领导计算计划获得了访问权限。
为了优化模拟的速度和分辨率，波音与 ORNL 的橡树岭领导计算设施（OLCF）专家合作。OLCF 是美国能源部科学办公室的用户设施。
通过高精度模拟，团队专注于两大关键挑战：研究结冰积累如何影响机翼性能，以及检查在全湍流模式下机翼对气流的响应。这项工作有助于解释此前高升力机翼设计中未能被风洞数据阐明的一些现象。
“虽然所有飞机都经过认证可在特定条件下安全运行，但通过 Frontier，我们能够模拟穿越冰云的飞行过程，以了解不同形状、大小和纹理的冰层如何影响性能，”克拉克说。
由于机翼温度会影响表面气流运动，GPU 加速的模拟也为团队评估抗结冰技术提供了强大新工具。
Goc 指出：“我认为层流到湍流的转变是流体力学的核心挑战之一，包括壁面加热对湍流边界层的影响。这是一个‘看不见’的问题，我们无法在风洞中看到或在飞行测试期间通过窗外观察得到。”
“Frontier 对此帮助极大，因为直接数值模拟通常计算密集且成本高昂，限制了其在飞机产品开发中的应用。”
研究人员表示，模拟的高准确性使其能够将飞机上升力的升力系数预测误差控制在 1% 以内。
“Frontier 不仅允许我们运行以前无法完成的模拟，而且能够在几天内获得结果。”
对航空航天行业的广泛影响
受益者不仅仅是波音公司。由于团队使用了业界广泛研究的高升力模型，这些发现更容易被更广泛的航空航天界所借鉴，从而推动整个行业在空气动力学设计上取得进展，制造出更安全、更经济的飞机。
Goc 总结道：“作为一家航空航天公司，我们处于空气动力学理论、科学计算和物理测试的交叉点。这项工作有助于将基础科学进步转化为现实世界的工程应用。”
参考文献：
Goc 等人，《表面加热对转捩再分层的影响》，《流体力学杂志》(2026)。DOI: 10.1017/jfm.2026.11949
