格子一玻尔兹曼方法(Lattice-Boltzmann method，简称LBM)在过去20年间已确立了其作为汽车空气动力学领域领先CFD工具的地位。如今，它正逐渐成为飞机空气动力学与声学领域尖端模拟技术的核心引擎，尤其对国防行业应用具有显著优势。下面将讲述这一过程一一从20世纪80年代理论探索的好奇心，到如今成为风洞数字化对手的演变历程。
简史：从晶格气体到玻尔兹曼
在20世纪80年代，从事所谓晶格气体自动机(LGA)研究的研究表明，由支配虚拟粒子在离散晶格上运。动和碰撞的简单规则所引发的流体状行为现象是可能出现的[1]这种方法看似优雅，实则并不实用:由于粒子被简化为简单的开/关值表示，模拟过程会产生噪声，且需通过多次运行进行平均处理才能提取出有用的结果。
这一突破源于将原始的粒子计数替换为平滑的概率分布:，从而将该方法与基于动力学理论的经典玻尔兹曼方程联系起来。噪声消失了，物理效果得到了改善，格子一玻尔兹曼方法由此应运而生[2]随后在1990年代初进行的进一步改进使其具备了快速且稳定的特性，足以被考。虑用于解决实际的工程问题一一尽管目前它仍仅限于处理低速流动情况。
Exa公司与汽车测试场
Exa公司在20世纪90年代初期创立于马萨诸塞州的伯灵顿。该公司大胆押注:LBM技术有望被转化为一种实用的工业工具，首先从汽车空气动力学领域开始。其产品PowerFLOW具备传统CFD求解器难以实现的功能一一能够在不耗费数周时间构建计算网格的情况下，模拟围绕真实车辆几何形状的复杂、湍流和不稳定的流动。由于LBM技术基于自动生成的常规笛卡尔网格运行，工程师们可以导入完整的车辆模型，并在数小时内而非数周时间内启动模拟过程。
汽车行业对此给予了关注。预测量产车型周围的空气动力学阻力、风噪以及冷却气流所涉及到的几何细节极为复杂一包括车镜、底盘组件、轮拱、发动机舱开口等一一以及高度湍流、分离的流动状态，而传统稳态求解器对此处理效果不佳。 PowerFLOW 凭借其基于 Very Large Eddy Simulation(VLES)湍流处理的固有非稳态模拟方法，能够有效应对这一挑战[3]该模型直接解决了大部分湍流流动结构问题，而非将其进行模拟处理，所得到的结果与风洞测量结果有着良好的关联性。各大汽车制造商将其纳入自身开发流程之中，而PowerFLOW则于20世纪90年代末和21世纪头十年期间确立了自己作为领先商用CFD工具的地位。
早期航空航天应用:起落架与高升力噪声:
这些优势自然而然地适用于以低马赫数为主导的航空航天应用领域一一尤其是接近和着陆过程中的流场环境。起落架组件和多元件高升力机翼通过非稳态湍流相互作用产生强烈的宽频带和音调噪声，而PowerFLOW被证明具有独特的预测能力。对这些配置进行的早期验证活动显示，结果与风洞声学测量结果高度吻合[4]此举确立了PowerFLOW在航空航天界的信誉度，并为随后开展的更为雄心勃勃的NASA机架噪声合作项目奠定了基础。
机翼着陆装置周围的非定常气流(NASA提供)
速度上限一一以及打破它的决定
然而，汽车领域的成功并未让Exa止步于此。汽车行驶时的马赫数较低，在此范围内标准LBM公式完全适用。商用运输机巡航时的马赫数约为0.85;军用飞机则能轻松达到超音速飞行状态。在这些速度下，压缩效应变得尤为显著:随着气流流经飞机表面，空气的密度、温度和压力都会发生显著变化;局部气流速度超过音速时会产生激波，同时支配动量与能量的方程也会紧密耦合。基于小速度扰动和均匀温度假设的标准LBM公式在上述条件下会失效。
Exa的领导层认识到，突破航空航天市场的关键在于解决这一问题。技术上的挑战在于既要拓宽速度范围，又要保持LBM的核心优势:自动网格生成、固有的并行处理能力以及直接求解非定常湍流流动的能力。为此，他们开发了一种混合方法，将标准的低速LBM动力学求解器与一种能够准确模拟激波中出现的陡峭压力与密度梯度变化的高阶方案相结合[5]在高马赫数状态下保持稳定一直是可压缩LBM模型的持久难题一-这需要进行细致的数值设计，经过数年的反复调整才能达到理想状态。
PowerFLOW能力的初步演示，用于模拟跨音速流动:平面激波与有限楔形体碰撞。左图:实验，右图:PowerFLOW仿真。
最终成果是一款名为PowerFLOW的版本软件，它能够模拟从低马赫数直至接近马赫2的各种流场情况，涵盖了从亚声速、跨声速到低超音速飞行范围的完整范围[6]这项技术此前已在汽车空气动力学领域得到了验证，如今它被应用于针对客机机翼在巡航状态下的表现、超音速条件下战斗机进气道的情况，或是武器舱内产生强烈声学负荷的场景。
在本系列文章的下一篇中，我们将描述为这一突破在航空航天和国防领域赢得信誉所历经的十年历程，包括参与AIA举办的研讨会、针对行业标准测试案例进行无数次验证，以及持续与NASA保持合作关系。
资料来源：达索官方
