CFD技术在航空工程领域的应用、挑战与发展

计算流体力学(CFD)技术在航空工程领域发挥着重要作用。总结了CFD技术在航空工程领域中的应用,系统阐述了气动设计、气动弹性、气动噪声、数字化飞行等多学科耦合计算领域对CFD技术的需求,结合实际工程应用分析了CFD技术面临的主要挑战。总结了近年来CFD技术在流动分离、边界层转捩、高精度方法和运动网格技术等领域取得的研究成果以及在气动特性评估、流动机理分析、气动设计、气动弹性、气动噪声等工程领域中的应用。进一步展望了CFD数值模拟未来的几个关键技术以及应用前景。     

NNW-HyFLOW高超声速流动模拟软件框架设计

NNW-HyFLOW在国家数值风洞（NNW）工程支持下,由风雷开源软件提供基础框架支撑,将建设成为基于结构/非结构混合网格,面向高超声速应用领域的国产自主工业CFD软件,具备高温气体热化学非平衡效应模拟及其相关气动力、气动热和气动物理特性计算分析等主要特色功能。本文从框架设计、数据结构、耦合方法、并行计算方法以及接口设计等方面对软件设计思想和框架特点进行了介绍,给出了求解器采用的理论模型、核心数值算法及其实现方法,结合HEG风洞试验、RAM-C飞行试验、Electre飞行试验以及航天飞机OV102飞行试验等典型算例开展了数值模拟。研究表明：NNW-HyFLOW具有底层代码复用、功能兼容性好、扩展能力强和接口灵活等优点,其当前测试版本已经具备了较好的高超声速非平衡流动数值模拟能力,在热化学非平衡效应及其影响的气动力特性、气动热环境和等离子体分布特性预测与评估方面,具有较高的数值计算精准度,初步满足了高超声速复杂飞行器高温非平衡流动数值模拟的需求。     

旋翼非定常气动特性CFD模拟的通用运动嵌套网格方法

针对直升机旋翼非定常气动特性CFD模拟中的网格生成难题,提出了一套高效、通用的运动嵌套网格生成方法.首先,基于Poisson方程求解和翻折法生成旋翼桨叶的正交贴体网格.其次,针对旋翼桨叶的扭转分布及变距、挥舞等复杂运动,建立了一套通用的洞单元识别的扰动衍射法;为保证洞包络面的封闭性,完善了挖洞过程中网格加密策略;在洞边界确立基础上,提出了一种高效、鲁棒的最小距离法贡献单元搜索的改进方法.在此基础上,建立了基于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程的旋翼非定常流场CFD模拟方法.最后,采用所建立的方法分别对悬停和前飞状态下的C-T(Caradonna-Tung)旋翼和7A(Helishape 7A)旋翼的气动特性、桨尖涡的位置进行了计算,计算结果与试验值误差小于5%,验证了该运动嵌套网格生成方法在旋翼非定常气动特性CFD模拟中的有效性.      

国家数值风洞(NNW)工程中的CFD基础科学问题研究进展

计算流体力学（CFD）基础理论方面的持续创新对数值模拟软件的功能拓展及推广应用具有十分重要的意义,国家数值风洞（NNW）工程在CFD相关的若干关键基础科学问题上开展了研究。简要综述了国内各参研团队近3年的研究进展,NNW工程在转捩与湍流模型及计算方法、多相多介质计算模型与方法、多物理场耦合计算模型与方法、高精度数值计算方法等方面形成了一系列阶段性的研究成果,建立了多种原创算法与模型。这些算法与模型中具有较高成熟度的将被集成至NNW工程的相关软件,并面向全国发布。     

双尾撑无人机气动数值计算

使用CFD计算流体力学软件对双尾撑无人机进行气动力数值计算,得到小迎角范围内的气动特性参数以及双尾撑无人机表面的压力、密度和来流速度分布情况。运用飞机工程经验计算方法对该无人机进行气动力计算,同时与数值计算结果进行比较分析,结果表明,数值计算方法能够合理的模拟低速流场流动,对无人机的气动布局分析具有重要作用,为下一步无人机的气动布局优化提供了有效的理论基础和参考。     

网格之星:国家数值风洞的通用型结构网格生成软件

结构网格具有边界层模拟准确、计算效率高等优势,在当前的计算流体力学(CFD)研究和工程应用中被大量采用。然而,复杂外形的结构网格生成非常耗时,通常需要在图形化软件上借助频繁的交互操作来实现,对CFD研究和应用产生了重要影响。针对此问题,提出了附面层推进、网格块自动补齐、网格分布快速调整、破损数模网格优化等网格生成加速技术。依托国家数值风洞工程,研发出一款通用型结构网格生成软件——网格之星(NNWGridStar)。与主流商业软件Pointwise相比,网格之星的网格生成速度更快。经过大量复杂算例验证,网格之星满足工程应用要求。自软件发布以来,已有80余家科研院所下载使用,为实际工程任务提供了重要的支撑作用。     

基于CFD的高效气动弹性计算方法

本文在高效气动弹性分析方法方面的研究工作包括:对于超声速流动范围,发展了一种基于CFD数值计算流场修正的高效、高精度工程算法,既含有CFD技术模拟复杂激波系的流场特征信息,又具备工程算法计算速度快的优点;对于失速迎角前的飞行器从亚声速、跨声速到超声速范围,发展了一种基于CFD技术的非定常气动力建模方法,由此获得气动弹性计算所需的非定常气动力,此方法可以包含物面在跨声速存在激波运动的流场信息,计算精度与直接应用CFD模拟气动弹性过程的方法相当,但运用非定常气动力建模技术途径的效率可以比直接基于CFD模拟方法提高2个数量级,对CFD技术应用于气动弹性精确预测方法具有工程实际应用价值;还研究了基于非定常气动力建模的方法用于伺服气动弹性分析、阵风响应.     

基于MBD-CFD的软管-锥套空中加油仿真框架

随着无人加油等新兴应用场景的出现，软管-锥套式空中加油技术近年来重新得到了航空工业界的重点关注。使用计算机数值模拟手段对空中加油系统进行流体-动力学仿真，已成为空中加油系统设计、研发和飞行测试评估中的必备手段。一方面，基于工程简化模型的软管-锥套仿真方法的数值模拟精度难以满足实际需求，另一方面，完全基于非定常计算流体力学（CFD）的耦合仿真方法计算量较大，在有限计算资源条件下难以满足快速设计迭代与多参数优化的计算效率需求。通过将多个求解层次的流固耦合分析工具有机结合，建立了基于多体动力学（MBD）和CFD的加油机软管-锥套装置的耦合仿真框架和方法。对典型加油机-软管-锥套组合体的全尺寸构型和缩比构型进行了数值模拟，通过多个算例验证了本方法的可信性。通过将非定常CFD方法与基于气动建模的尾迹流场动态插值方法结合，可将后者的计算精度提高至与非定常CFD方法相当，同时将计算量减小2个数量级以上，从而实现了计算精度和效率的兼顾。     

国家数值风洞(NNW)工程在高超声速中的应用研究进展

随着CFD技术的快速发展,CFD数值模拟软件在飞行器研制中得到广泛应用,并已渗透航空航天等诸多领域的各个阶段,发挥着越来越重要的作用。国家数值风洞（NNW）工程坚持边建边用的原则,通过集成结构力学、飞行力学、工程热力学、声学、光学、电磁学、多相流体力学等学科软件,在航空航天、交通运输、能源动力、环保减灾等领域发挥了积极作用。总结了NNW软件在高超声速飞行器边界层转捩、湍流、高精度方法等领域的应用成果以及在解决复杂流动干扰、动态稳定性和多学科耦合问题上的最新进展。通过案例展示,使相关从业人员了解NNW软件的功能、特点,促进系列软件在全国的推广和应用。     

基于舵面控制的外挂物分离仿真方法研究

基于舵面控制的外挂物分离仿真是一个典型的多学科耦合问题,需要对其气动性能、飞行性能和控制性能综合进行分析。本文主要围绕数值仿真中计算流体力学（CFD）和控制方程与刚体动力学（RBD）方程的耦合求解、高效嵌套网格技术、耦合飞行控制系统（FCS）的气动/运动/控制的多学科耦合仿真的三个关键技术进行研究。针对以上技术难点,发展了一套基于舵面控制的外挂物分离仿真方法。仿真结果表明,通过舵面控制,有效改善了外挂物在分离过程中的姿态变化剧烈的现象,提升了分离安全性与分离品质;发展的基于舵面控制的外挂物分离仿真方法能够处理复杂运动边界的非定常问题,检验飞行控制律,具有一定的工程价值。     

多块多重网格法及其跨声速转子内流并行模拟

为提高压气机内部复杂流动计算的收敛速度,发展了一种多块多重网格上的可压缩流动并行计算流体动力学(CFD)方法,数值模拟了跨声速转子NASA Rotor 35内部流动及气动性能,重点分析了对接分区方式和内界面通信模式对并行性能的影响。结果表明:对接分区方法和多块多重网格内界面数据处理方法能够保证串、并行CFD方法结果基本一致,且与实验数据吻合良好;并行精度基本不受分区数目和通信模式的影响,并行效率随着相对通信负载的增大而降低。所发展的并行计算方法对跨声速转子气动分析和设计具有一定的可靠性,为开发大型流体机械复杂流动的基础并行算法及软件提供了参考价值。     

开放式气动力数值模拟系统研究

气动力数值模拟系统是ＣＦＤ流场解算技术、网格生成技术、数据可视化技术和网络技术相结合的产物。描述了一种运行于计算机网格环境下多任务、多用户、交互式的数值模拟软件环境－ 气动力数值模拟系统,该环境能计算模拟亚、跨、超音速绕流的气动力,也能方便地集成模拟不同复杂气动布局飞机流场的解算程序。介绍了其网格生成、数据可视化、系统接口等核心部分的结构和功能。     

数值空气动力学在DLR(德国宇航研究院)

德国在若干年前启动的国家CFD项目MEGAFLOW集中了DLR、大学以及航空工业界的许多CFD研究开发工作,目的是开发并验证能满足工业实践所要求的可靠并有效的数值工具,以对全机进行空气动力模拟.MEGAFLOW软件系统包括多区结构网格中求解N-S方程的软件FLOWer和在非结构网格中的软件TAU.两软件均已达到很高的成熟度并为DLR和德国航空工业广泛地应用于新飞机的设计过程.最近又启动了其后续项目MEGADESIGN和MegaOpt,旨在开发和增强外形设计及优化的有效数值方法.着重介绍了软件最近的改进及其计算粘性流动绕复杂飞机外形的能力.     

基于超大涡模拟的燃烧室气动性能仿真研究进展

航空发动机燃烧室涉及旋流、雾化蒸发、掺混、化学反应、湍流与火焰相互作用等多尺度强耦合物理化学过程,相关的高 精度建模和数值模拟面临极大的挑战。超大涡模拟是近些年发展的兼顾计算精度、计算效率和强鲁棒性的数值模拟新方法,具备 试验室尺度和复杂工程应用场景下湍流流动与燃烧仿真能力。针对航空发动机燃烧室相关流动与燃烧基本特征,阐述了超大涡 模拟的理论方法及特点,从旋流流动、湍流燃烧、液雾雾化、碳烟生成、燃烧不稳定等典型多物理过程,以及双旋流模型燃烧室和高 温升燃烧室气动性能集成仿真等方面介绍了超大涡模拟的研究进展,对涉及的物理机制进行了分析,为超大涡模拟在航空发动机 燃烧室中规模化工程应用提供了坚实支撑。超大涡模拟在较低的计算资源消耗下具备与传统大涡模拟相当的计算精度,是一种 经济可承受的燃烧室高精度气动性能仿真新方法。     

飞行器动态稳定性参数计算方法研究进展

动态稳定性参数（简称动导数）是飞行器控制系统设计、飞行器动不稳定发生边界分析及相应动态稳定性判据研究的关键气动参数。在对飞行稳定性问题进行概述的基础上,介绍飞行器动态稳定性参数数值模拟的国内外研究进展。并按照理论方法、工程近似方法及计算流体力学（CFD）模拟方法的动导数发展方向对近年来主要的动导数计算方法进行了综述,评价了各种动导数预测方法的优缺点,指出了动导数数值模拟在理论基础、非定常气动力建模、预测方法精度和效率等方面存在的问题。最后对动导数数值模拟的发展趋势进行了展望。     

6种典型飞行器的RANS计算及大分离区域的DES分析

提出了一种将RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes)与DES(detached eddy simulation)相结合计算流场的工程新算法,并用于第一代载人飞船Mercury、第二代载人飞船Gemini、人类第一枚成功到达火星上空的Fire-Ⅱ探测器、具有丰富风洞实验数据(来流Mach数从0.50变到2.86)的巡航导弹、高升阻比的Waverider(乘波体)以及具有大容积效率与高升阻比的CAV(common aero vehicle)等6种国际上著名飞行器的绕流计算.在流场计算中,采用分区技术,即首先对全流场采用RANS计算,然后对分离较大或者分离较严重的那些区域采用DES分析技术.文中所完成的6个典型算例总共63个工况的数值计算表明:仅在分离较大的区域采用DES分析技术,虽然从严格意义上讲这样的处理并非真正意义上的DES,但这样近似处理后所得到的流场数值结果(其中包括气动力和气动热)与相关实验数据较为贴近,并且流场的计算效率较全场进行DES计算时要高得多.      

并行环境下外挂物动态分离过程的数值模拟

 并行工程的发展提出了计算流体力学的发展新概念,在此基础上研究开发了一个以非定常流计算为核心的多体分离数值仿真集成系统。该系统采用运动嵌套网格方法,能够处理飞行器在空间中的大尺度运动,结合六自由度运动学方程,具有实时仿真运动部件在气动力、弹射力和重力等耦合作用下运动的能力。基于外挂物投放数值模拟具有网格运动、非定常的特点,从网格重建、多重网格方法等方面探索了提高计算效率的途径和实现方法,结合并行化计算使分析周期大大缩短。以20个中央处理器(CPU)为例,并行计算和3层多重网格使计算速度提高约40倍,同时分布式存储、并发计算的特点缓解了对单节点的内存需求,解决了工程应用中受计算周期、网格规模等限制的难题。为了验证本文方法的正确性,对外挂物投放标模实验进行了数值仿真,计算得到的外挂物运动轨迹在0.5 s时间范围内与实验值基本吻合;对分离过程后半段出现的偏差,从气动力变化的时间历程上进行了说明,提出偏航力矩的误差和累积效应导致了预测出现偏离,对关键的分离初始阶段,该方法可以取得令人满意的效率和精度。