CFD数值模拟技术在飞机设计中的应用

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1、CAE联盟论坛精品讲座系列【一】CFD数值模拟技术在飞机设计中的应用主讲人：WellinCAE联盟论坛—CFD区大区版主很多人直观地认为，飞机外流场模拟很简单，不涉及动网格等技术，划分完外部流场网格，设置完边界条件就可以计算了。看起来确实简单，但真正能理解飞机外流场仿真内涵的，可能并不多，涉及的模型选取，计算精度的探讨等诸多问题，还是非常值得关注的。我们首先来回顾一些基本的常识，只有认识到这些基本概念，对飞机外流场的仿真分析才能真正做到有的放矢。飞机空气动力设计涉及的一些重点内容：飞机空气动力设计研制工作主要涉及机翼翼型设计、气动噪音与模拟风洞实验。在机翼设计中，超临界翼

2、型是改善飞机空气动力性能的基本途径之一。与常规翼型比较，超临界翼型通过控制翼型外形，在设计点使翼型上表面出现较长范围的超音速区，并利用等熵压缩使超音速区以弱激波的形式结束。相对于常规翼型，超临界翼型显著提高了翼型的跨音速气动特性，给机翼设计中在速度、厚度、升力系数等之间更大的选择空间，为机翼设计提供一种新的设计思想。提高远程干线飞机的巡航马赫数，能大大缩短飞行时间。超临界机翼的临界马赫数高，能提供高的航程因子及大的抖振边界，使飞机能有效降低巡航油耗。机翼气动力布局参数对机翼阻力发散特性、抖振边界、失速特性、力矩特性有直接的影响。超临界机翼设计需要实现气动与结构、部件与全机

3、的综合考虑，如何在气动上兼顾设计点与非设计点、高速与低速、气动力与气动力矩从而满足工程需要，这些都是超临界机翼气动力设计的难点。此外，对于三维增升装置设计，还存在不小的困难，主要困难在于两个方面。首先，外形复杂，机翼各段之间存在缝道，为了能在巡航状态收起，翼型上往往还设计有方舱或凹槽，外形非常复杂且为多连通域。另外操纵面的偏转会使外形上出现剪刀差的间断，这样的外形用CFD方法模拟具有相当的难度。其次，流动现象复杂。流动中各种粘性现象非常复杂，尺度差异很大。流动在剪刀差的端面会由于压力不连续而导致强烈旋涡的产生，这一切对数值算法、湍流模式提出了极大的挑战。即使是二维的增升装

4、置扰流中也存在激波附面层干扰、尾迹附面层干扰，尾迹相互融合，流动分离等复杂的粘性流动现象。CFD在飞机外流模拟中的功能主要体现在：(1)可以在一定范围内较准确地预测气动力参数，代替部分风洞实验；(2)可以与很多优化算法相结合，对气动外形进行优化设计。CFD在面向工程应用方面目前仍然存在一些急需解决的问题。(1)首先是复杂外形飞机的网格生成问题。现在得到CFD学界公认的一个事实是：一个复杂外形飞机流场的数值模拟工作，网格生成需要的时间占整个工作的70%；(2)高精度高分辨率的数值格式，现代飞机的外形极其复杂，流场中一般会存在激波、旋涡与分离、激波与附面层干扰等复杂流动现象。

5、要想准确预测飞机的气动力参数，数值格式必须有准确捕捉这些复杂流动现象的能力；(3)湍流数值模拟；(4)计算效率问题。既然认识到，飞机外流场模拟中的主要工作量集中在复杂模型的网格生成上，作为一个简单的例子，下面，将采用star-ccm+这一工具来实现一个飞机模型的网格划分及计算，当然，在这里，并不打算对计算细节进行讨论，仅仅起到一个抛砖引玉的作用，以引起大家对CFD数值模拟在飞机方面应用的兴趣。之所以选用star-ccm+软件，是因为它在模型处理，尤其是包面技术和网格方面具有太明显的优势，对一个复杂外形的机型，可以在很短的时间内完成建模，下面就给大家分享一下，本飞机三维数模

6、是网友提供：1.模型准备2.将模型以stl格式导入star-ccm+中3：网格划分Star-ccm+中的网格划分经历了如下过程：1）对于模型是封闭区域：面网格划分->体网格生成2）对于非封闭区域：包面处理->面网格划分->体网格生成对于内外流场计算，特别是像汽车，飞机外流场计算，由于结构件的复杂性，一般都不是封闭的区域，要形成封闭的流场计算区域，首先必须对复杂的结构表面形成能涵盖整个结构表面特征的包面，所以包面技术在这一过程中显得尤为重要，能否实现复杂模型的流场计算，首先很大程度上处决于软件包面技术的健壮性。3.1计算域的建立对于飞机外流场，一般建立球形计算域，球形域的大

7、小应该足够大。在star-ccm+中通过representations->import可以建立球形域，如图考虑到整个计算模型的对称性，我们考虑一般的模型建立计算域，需要对整个模型进行布尔操作，得到一半模型。3.1.1首先，与建立球形域一样，建立一个更大的矩形域建立完矩形域后，删除其中的5个面，只保留一个位于对称面上的表面，如下图3.1.2利用对称面，剖分得到一般的计算域首先将球面与对称面进行intersect，然后，通过右键->splitinteractively将球面一半提取出来，然后删除，得到如下一半的球形域继续按同样方法