德国牵头开发航空发动机高精度虚拟仿真模型

在欧盟“绿色协议”和《芯片法案》等一揽子科技与气候战略推动下，航空发动机研发正从“试验台驱动”加速迈向“虚拟样机驱动”。2025年，德国航天中心（DLR）发动机技术研究所牵头的欧盟科研项目 Sci-Fi-Turbo 正式进入实施阶段，与GE Aerospace及多家欧洲高校和科研机构合作，开发航空发动机高精度虚拟仿真模型，力图将以尺度分辨方法为代表的高保真数值模拟真正嵌入工业标准设计流程，显著缩短新一代低排放发动机的开发周期。

一、项目背景与总体目标

Sci-Fi-Turbo是欧盟“地平线欧洲”框架下的科研项目，周期为2024—2027年，由DLR发动机技术研究所担任协调单位，GE Aerospace、欧洲多所大学与研究机构共同参与。项目提出，现有工业设计流程主要依赖雷诺时均（RANS）类型的工程仿真与大量风洞和部件试验，在探索全新构型和更极端工况时，不仅不确定度较高，而且迭代速度难以满足未来减排目标对新品开发节奏的要求。

欧盟在《绿色协议》中明确提出，到2050年实现气候中立、到2035年在航空等难减排领域实现温室气体排放量大幅下降。Sci-Fi-Turbo将高阶尺度分辨模拟（SRS）视为获得超高效率推进系统的关键工具，希望通过更真实地解析叶栅、压气机、涡轮等部件内部的湍流结构和损失机理，为新概念发动机（如极高涵道比涡扇、开式转子、与氢燃烧或混合电推进耦合的构型）提供可靠的气动与热力学基础数据。

项目总体目标并不仅仅是做出若干高精度数值算例，而是要构建一套可复用的“虚拟发动机”仿真体系：一方面在关键部件和关键工况上使用高阶尺度分辨方法获取高保真数据，另一方面通过多层次模型和机器学习技术，将这些高保真信息转移到更廉价的工程仿真工具中，使整条工业设计链条在相近计算成本下获得更高的预测能力。

二、高精度虚拟发动机仿真模型的技术路径

传统RANS方法在工业界沿用多年，优点是计算成本低、流程成熟，但对强非定常、强分离和多尺度湍流结构的刻画存在天然局限。Sci-Fi-Turbo以尺度分辨模拟为技术核心，综合采用大涡模拟（LES）、隐式大涡模拟（ILES）和在局部区域接近直接数值模拟（DNS）精度的高阶数值格式，显著提高对复杂三维流动与损失机理的分辨能力。DLR在项目中使用自研的高精度求解器TRACE和优化框架AutoOpti，配合数据驱动模型与多年发动机研发经验，形成从基础算例到工程部件的完整数值工具链。

然而，尺度分辨模拟对计算资源的需求极其庞大，若直接用于整机或全包线扫描，将超出目前任何高性能计算平台的承载能力。因此，Sci-Fi-Turbo采用“少量高保真算例配合多层次代理模型”的思路：在若干代表性工况和几何上进行高分辨率计算，再通过机器学习构建多保真代理模型，对传统RANS或低阶模型进行局部修正，使其在关键区域和关键指标上接近SRS精度。

项目中已经开展的研究表明，这种多保真方法可以在成本与精度之间取得合理平衡。以低压压气机叶片为例，比利时研究机构Cenaero在Sci-Fi-Turbo框架下对DLR设计的叶片开展尺度分辨气动模拟，揭示了传统RANS难以准确捕捉的涡结构与能量耗散特征，再将这些信息反馈到工程模型，显著提升了对损失和稳定裕度的预测可靠性。通过这种方式，高精度虚拟发动机模型不再是单一算例，而是嵌入整个多保真优化流程的关键支撑，使设计人员可以在给定的计算预算内，对更宽广的设计空间进行探索和收敛。

为了确保方法具有可推广性，项目还组织了一系列面向业界和学界的线上研讨，围绕尺度分辨模拟在叶栅优化、湍流模型修正、多目标多保真优化等方向的应用展开交流，推动相关数值方法和软件逐步走向标准化和模块化。

三、项目的战略意义

Sci-Fi-Turbo的一个重要特点在于，其设计之初就面向工业应用场景，由德国DLR牵头，在项目架构中纳入GE Aerospace等整机企业以及多家在数值方法、高性能计算和人工智能领域具有优势的机构，从而使高精度虚拟发动机模型的开发与现有工业流程紧密对接。

一方面，DLR在传统航空发动机试验和数值模拟领域长期积累的能力，为虚拟模型的物理正确性和工程相关性提供了保障。项目团队计划将方法逐步扩展到完整三维部件乃至多级组件，并在DLR试验设施中进行对比验证，使虚拟发动机能够在严格实验数据支撑下不断校准和完善。这种“仿真—试验”闭环有助于提升高保真模型在工业界和监管部门间的信任度，为未来在适航审定中更大程度采用虚拟试验打下基础。

另一方面，项目在设计之初就将多保真优化与高性能计算资源的高效利用纳入考量，通过系统构建从几何参数化、网格生成、求解设置、结果后处理到优化决策的自动化流程，使高精度虚拟发动机不只是少数专家手工操作的“特种工具”，而是可以嵌入企业日常研发周期的通用能力。对于正在推进数字化和模型驱动设计的发动机企业而言，这种能力意味着可以在更早阶段过滤掉大量不可行方案，将昂贵的物理试验集中在最有潜力的构型上，从而降低开发风险、缩短上市时间。

从更宏观的角度看，德国牵头开发高精度虚拟发动机仿真模型，体现出其在航空发动机数字化设计和高端数值模拟领域的战略布局。一方面，这有助于巩固德国及欧洲在涡轮机械气动设计、多物理场仿真和高性能计算软件方面的技术优势；另一方面，通过欧盟框架项目将相关成果以标准化接口和开放培训的形式向成员国和产业链伙伴扩散，强化了欧洲在未来低碳航空技术标准制定中的话语权。

参考文献：

[1]Schnellere und zuverlässigere Triebwerksentwicklung durch gezielte High-Fidelity-Simulation[EB/OL].(2025-10-13).https://www.dlr.de/de/at/aktuelles/nachrichten/schnellere-zuverlaessigere-triebwerksentwicklung-durch-gezielte-high-fidelity-simulation.

[2]Scale-resolving Simulations for Innovations in Turbomachinery Design[EB/OL].[2025-11-25].https://scifiturbo.eu/.

[3]Exclusive Interview – Philippe Geuzaine & Ingrid Lepot (Cenaero)[EB/OL].[2025-11-25].https://www.enccb.be/index.php/ITWGeuzaineLepot.