CFD 软件验证确认数据库系统的建设研究

齐志敏，曹平宽

(中航工业西安航空计算技术研究所 第7 研究室，陕西 西安 710119)

CFD(Computational Fluid Dynamic)是飞行器气动设计的重要手段之一。随着计算机硬件和算法的不断进步，为CFD 技术的发展创造了有利条件，CFD 技术发挥的作用也越来越重要。然而，CFD 技术要真正在型号工程项目中发挥作用，就必须对其采用的工具——CFD 软件的精度、准度以及适用范围等做出综合评估，以保证其结果的可靠性、可用性。验证是确定概念模型的程序和计算实现是否正确。确认是确定计算与物理真实是否一致，即求解正确的方程，使用中也可认为是与实验数据的比较。所以进行CFD 软件的验证和确认研究工作就必须要有相应的数据支持，在欧美发达国家，专门为CFD 软件的验证和确认建立数据库系统已成为例行活动［1－4］。在国内这方面的工作相比国外还有一定差距［5－9］。因此，建立CFD 软件验证确认数据库系统，才能持续推进CFD 软件的验证和确认研究工作，以适应CFD 软件可信度分析需求，促使先进CFD 技术成果在型号任务中获得有效应用，推进技术发展。

本文提出了CFD 软件验证确认数据库系统的解决方案，为CFD 软件的验证和确认研究工作提供数据支撑平台。

1 数据分析

通过对CFD 软件的分析和研究结合用户需求可将CFD 软件所具有的功能划分为:亚声速流动模拟能力、跨声速流动模拟能力、超声速流动模拟能力以及高超声速流动模拟能力。在亚声速、跨声速、超声速以及高超声速的不同流速范围内，模拟的特征流动包括附着流、分离流、边界层转捩、漩涡、漩涡干扰、滑流效应、喷流、激波、激波干扰、真实气体效应、化学反应流动以及羽流干扰等。而对CFD 软件的验证和确认是通过算例来测量的，所以算例数据要体现CFD 软件所具有的功能。根据流动特征模拟的复杂程度不同，可将算例数据划分为基准级算例、部件级算例和系统级算例，分别对应于单一的流动模拟、流动干扰模拟以及复杂流动模拟的能力。算例属性应包括流动模拟能力、流动特征和算例等级，这样就可对算例实现不同方式的分类检索。

CFD 软件验证确认数据库系统中存储的数据主要包括:算例基本信息、几何数据、计算网格数据、计算状态、可比较数据、参考文献等。这些数据的类型有:文本文件、二进制数据文件、图像文件、word 文件、pdf 文件等。数据的主要特征是:结构化、规范化、标准化，数据量大，但存储、管理和数据交换较容易［10］。其中可比较数据包括点数据、曲线数据、云图数据以及流线数据等，这些数据既可是筛选和整理过的试验数据还可以是典型的计算结果数据。

算例的选择既要考虑数据的正确性和完备性又要对CFD 软件的能力要有覆盖性，初步设计出亚、跨、超、高超声速算例库，形成算例数据库。以亚声速流动为例给出了不同流动特征所对应的算例。这些算例数据一方面可反映主要的流动特征，另一方面试验数据较全，业内相关的计算研究比较成熟。对于某一CFD软件而言，若针对这些算例计算结果较好则可认为该软件具有较好的亚声速模拟能力。亚声速下不同流动特征对应的算例如表1 所示。

表1 不同流动特征对应算例列表

2 数据组织

CFD 软件验证确认数据库系统中以算例作为基本的数据组织单元，算例下包括几何文件、计算网格、参考文档、和可比较数据。算例基本信息包括了算例名称、算例描述、流动特征等信息;可比较数据包括算例的流动状态以及对应流动状态下的点数据、曲线数据、云图数据及流线数据;算例文档资料包括算例的最佳实践指南以及参考文档数据。

为建立统一管理的数据模型，将算例数据组织为树状结构，如图1 所示。

图1 系统数据组织

3 数据库系统设计

CFD 软件验证确认数据库系统的实现可采用3 层C/S 结构，这种结构既能体现运行的高效性，又能保证数据库系统的安全运行，同时还兼顾了系统的扩展性，如图2 所示。

CFD 软件验证确认数据库系统提供的主要功能有:算例基本信息管理、可比较数据管理、文档管理等数据管理功能;数据浏览查询、数据分类、数据上传和下载以及用户管理、权限管理、数据维护等系统管理功能。系统的主要功能如图3 所示。

图3 系统的功能树

算例信息管理主要是指算例基本文本信息的添加、删除和修改。可比较数据管理包括试验数据的管理和其他计算结果数据的管理。文档管理包括试验报告管理和参考文献的管理。数据分类是指算例数据可按照多种分类方式组织，比如可按照马赫数范围分类，也可按照构型特点分类。数据浏览查询是指除了可分类检索数据外还要提供多条件组合查询数据。数据文件上传和下载功能应提供批量操作方式。系统管理包括用户的管理，用户对算例数据访问权限的管理;数据维护主要是指对算例数据的备份以及导入恢复。

设计后台数据库表结构时，对CFD 软件的功能特征、流速范围、算例分类等属性进行分析和总结，将各种属性都设计在表结构中同时兼顾能为可信度分析提供方便的数据服务。后台数据库主要的表结构如图4 所示。

图4 系统的数据库表结构

4 系统开发

CFD 软件验证确认数据库系统的软件结构如图5所示。

CFD 软件验证确认数据库系统的底层是数据库和基本的数据管理与维护，中间层是算例信息管理、文件数据管理、可比较数据管理、文档资料管理，系统的顶层支持CFD 软件验证与确认研究。

通过对CFD 软件验证确认数据库系统的分析设计工作，系统开发采用Java 语言实现，可在不同平台上使用。后台数据库管理系统使用开源免费的MySQL 实现文本信息以及文件路径的存储，数据文件本身则通过FTP 存储。算例数据的各种属性可以作为检索条件实现对数据的分类组织和查询。

5 结束语

建立CFD 软件验证确认数据库系统一方面可以有效支持CFD 软件的验证和确认工作，另一方面可以利用系统实现相关技术成果的集成和已有数据的管理。本文提出了专用于CFD 软件验证确认数据库系统的解决方案并初步完成了开发工作。随着对CFD 软件开展持续的验证和确认工作，系统的功能和数据将不断完善和扩充。

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