SimForge HSF 案例分享｜复杂仿真应用定制——UAVSim无人机仿真APP（技术篇）

导读

    「神工坊」核心技术——「SimForge HSF高性能数值模拟引擎」支持工程计算应用的快速开发、自动并行，以及多域耦合、AI求解加速，目前已实现航发整机数值模拟等多个系统级高保真数值模拟应用落地，支持10亿阶+、100w+核心量级的高效求解。其低代码开发能力，可面向复杂装备、中小企业专用仿真场景，快速开发定制仿真应用。

    本文将通过“UAVSim无人机仿真APP”案例，带您深入了解「神工坊」团队，如何基于「SimForge HSF」，针对具体场景开发垂直应用，使产品经理也可上手操作无人机数值仿真。

 一、客户需求分析  

    1. 行业背景

    无人机广泛应用于军事侦察、民用航拍、物流配送、农业植保、应急救援等诸多领域，其市场规模呈现出爆发式增长态势。随着应用场景的不断拓展和深化，对无人机的性能、可靠性和安全性提出了越来越高的要求，这使得无人机的研发设计面临着前所未有的挑战。

    2. 客户痛点

    ➢ 精确建模与分析难度大

    在空气动力学方面，精确模拟无人机在不同飞行状态下的气流特性是确保飞行性能的关键。然而，气流与无人机机体及旋翼之间的相互作用极为复杂，受到飞行姿态、速度、环境风等多种因素的影响，准确建模和分析难度极大。

    ➢ 实物试验成本高、代价大

    在研发流程中，传统的设计方法主要依赖实物试验和经验积累。但实物试验成本高昂且耗时费力。

    ➢ 经验设计研发周期长

    经验设计在面对新型无人机的创新设计需求时，缺乏科学依据和理论支持，难以快速准确地确定最优设计方案，导致研发周期延长。

 二、解决方案设计  

    1. 自研网格模块生成自适应网格

目标：

研发可动态调整的网格模块，以满足无人机不同条件下的差异化网格需求。

    技术方案：

    UAVSim 的网络模块基于自研的结构网格自适应技术（SAMR）来生成自适应网格，其具有以下几点优势：

    ①网格自动生成

    SAMR 技术主要基于笛卡尔网格，其网格结构相对简单，天然适合自动生成网格。即使面对复杂的无人机几何形状或存在一定几何缺陷（如轻微不平整、小空洞等）的模型，也能通过适当处理成功生成网格。

    应用场景：

    对于多旋翼无人机复杂的旋翼结构和机身连接部分，模块可以自动识别并生成合适的网格。在边界处，采用脱体网格加密和合适的边界模型（如浸没边界法），确保边界条件的准确性，有效提高了网格生成的效率和质量，降低了对人工前处理的依赖。

    ②高效自适应加密

    SAMR 技术可以使网格能够精准地集中在需要加密的关键区域。

    在无人机飞行过程中，根据实时监测的物理场特征（如气流速度、压力变化等），在气流变化剧烈的区域（如高速飞行时的机翼前缘、旋翼旋转区域等）快速加密网格，而在相对稳定的区域则保持较粗的网格，从而高效利用网格资源。与传统结构化网格相比，它无需按固定维度进行加密，更加灵活；相较于非结构网格，在保持局部结构化优势的同时，利用简单直接的等分和合并规则实现网格重构，速度更快、效率更高。

    应用场景：

    当无人机从平稳飞行进入紊流区域时，网格能迅速在紊流影响区域加密，准确捕捉气流变化。

    ③多尺度特征捕捉

    SAMR 技术能够有效捕捉无人机飞行中的多尺度特征。

    无论是大尺度的气流整体分布，还是小尺度的涡旋、边界层等细节，都能通过自适应加密得到准确模拟。

    同时，由于其局部结构化特征，在适应无人机复杂几何形状的前提下，保证了局部计算效率与传统结构化网格相当。

    ④计算效率提升

    采用笛卡尔网格的 SAMR 还可大幅节约几何描述数据，缓解众核处理器内存带宽瓶颈，有利于在高性能计算平台上运行。

    SAMR 能根据不同的硬件平台（如国产神威超级计算机或传统 X86 架构计算机）特点，调整网格块分辨率，充分发挥硬件性能，进一步提高计算效率。

    应用场景：

    在使用国产神威・太湖之光超级计算机时，通过优化网格配置，实现高效计算。

无人机四旋翼侧网格生成效果图

2. LBM求解器对旋翼机体的数值仿真

目标：

实现不同工况下旋翼的高保真数值模拟，以提升无人机整体的飞行效率、机动性、稳定性和安全性。

    技术方案：

    LBM（格子玻尔兹曼方法）求解器：基于微观粒子模型，将流体空间离散为规则的格子结构，通过跟踪流体粒子在格子间的碰撞和迁移来模拟流体流动。

    在旋翼机体仿真场景下，LBM 求解器可以实现：

• 精确描述旋翼和机体的形状和位置

• 准确获取旋翼表面的压力分布

• 获取旋翼关键空气动力参数

• 捕捉气流的紊流特性和涡旋结构

• 模拟旋翼尾流的发展和传播

• 模拟尾流与机身等部件的相互作用

    在此技术支持下，UAVSim APP中可以通过调整旋翼的几何参数（如桨叶形状、长度、扭转角等）和飞行工况参数（如飞行速度、姿态角等），进行大量的数值实验，快速评估不同设计方案对旋翼性能的影响，为优化旋翼设计提供全面而准确的数据支持。

3. 操作界面优化

目标：

用户界面与操作流程简化，加强UAVSim APP的易上手性，降低产品经理等非专业仿真工程师的学习成本，提高协同研发效率。

    简洁直观的用户界面与便捷操作流程：

    UAVSim 的用户界面设计采用符合人机工程学的布局。

    功能模块图标直观醒目：

    主界面上，前处理、计算提交、后处理等主要功能模块功能按钮分类清晰且标识明确，用户能迅速定位所需功能入口。

    应用场景：

    在前处理模块，用户仅需简单操作，即可导入无人机几何模型，并轻松输入各旋翼的中心坐标、旋转速度、直径以及前飞速度等关键参数。

 三、总结  

    本篇详细解析了「神工坊」团队针对无人机仿真场景，提供的技术解决方案——「UAVSim无人机仿真APP」通过自研的网格模块，根据无人机真实工况生成自适应网格，进而利用LBM求解器进行计算，实现了对旋翼机体的数值仿真。软件易于操作，界面设计简洁直观，产品经理也可轻松上手，参与高效协同研发。

    关注「神工坊」，第一时间获取“案例分享”专栏最新内容，在即将发布的“操作篇”中，我们将为您展示「UAVSim无人机仿真APP」前处理-求解-后处理全流程作业的具体操作过程，敬请期待！

神工坊 _ 一站式高性能仿真服务商神工坊高性能仿真平台，源自国家超级计算无锡中心（始于2016年），是支持工程仿真应用的开发、定制和在线服务的PaaS+SaaS平台。https://simforge.cn/

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