基于CFD方法的工程設(shè)計(jì)研究

任慶祝 王源博 國(guó)洪梅 徐璐

摘 要：該文簡(jiǎn)要地探討了當(dāng)前CFD方法在工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究中的應(yīng)用歷程，特別是對(duì)基于雷諾平均Navier-Stokes方程的求解粘性流動(dòng)的CFD方法進(jìn)行了梳理分析，并通過(guò)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果（測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn)中模型測(cè)得的升力系數(shù)和阻力系數(shù)結(jié)果）進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性和可靠性，表明CFD計(jì)算方法已經(jīng)可以獲得較為滿意的氣動(dòng)預(yù)估結(jié)果，最后采用該方法對(duì)某型飛機(jī)表面天線罩外形進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，為風(fēng)洞試驗(yàn)方案選型提供指導(dǎo)和借鑒作用，極大地提升了設(shè)計(jì)工作效率，同時(shí)降低了研制成本和研制風(fēng)險(xiǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：NS方程 CFD方法 升阻特性 工程設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U664.34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）02（c）-0054-02

隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD-Computational Fluid Dynamics）理論的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步，CFD方法在工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，與理論流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)并列為當(dāng)代流體力學(xué)研究的三大分支[1-3]。

從早期的基于無(wú)黏線化小擾動(dòng)位勢(shì)方程理論的面元法到采用有限差分法和有限體積法求解的無(wú)黏非線化小擾動(dòng)位勢(shì)方程和全速勢(shì)方程，到今天普遍采用的求解無(wú)黏的歐拉方程和有黏的雷諾平均Navier-Stokes方程（RANS），計(jì)算流體力學(xué)對(duì)流場(chǎng)的流動(dòng)模擬技術(shù)不斷逼近于流動(dòng)的物理真實(shí)狀態(tài)。目前，采用基于Navier-Stokes方程（以下簡(jiǎn)稱NS方程）的CFD技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于工程與科研當(dāng)中，本文對(duì)該方法在飛機(jī)天線罩氣動(dòng)選型中的應(yīng)用進(jìn)行了分析研究。

1 CFD計(jì)算方法

通常采用CFD方法對(duì)流體流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬流程如圖1所示。大致可分為以下幾個(gè)步驟[4-6]：

建立描述流動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型（如雷諾平均NS方程），對(duì)于模擬粘性流動(dòng)現(xiàn)象還需選擇合適的湍流模型；

確立計(jì)算域的邊界條件和初始條件；

建立計(jì)算域的計(jì)算網(wǎng)格和網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)；

采用數(shù)值方法離散控制方程并求解；

滿足收斂條件時(shí)輸出并顯示計(jì)算結(jié)果。

2 計(jì)算方法驗(yàn)證

由于數(shù)值模擬方法自身的局限性，CFD方法還無(wú)法全面取代風(fēng)洞試驗(yàn)等其他研究手段[7]，為了得到準(zhǔn)確度較高、穩(wěn)定可靠的、能應(yīng)用于工程研制中的CFD模擬計(jì)算方法，需對(duì)部分重要的模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證（甚至飛行試驗(yàn)驗(yàn)證），本文采用了基于考慮了黏性影響的NS方程來(lái)模擬風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ屠@流，并對(duì)計(jì)算得到的結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性和可靠性。圖2為某型飛機(jī)全機(jī)升阻特性CFD計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比?？梢钥闯?，在較大的迎角和側(cè)滑角范圍內(nèi)兩者比較接近，大迎角或者大側(cè)滑角下的計(jì)算結(jié)果發(fā)展趨勢(shì)也與試驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)一致，可滿足工程設(shè)計(jì)的要求。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

針對(duì)某飛機(jī)天線布置需求，需加裝整流天線罩，需要對(duì)天線罩外形方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文采用CFD方法對(duì)天線罩外形四種優(yōu)化方案進(jìn)行了CFD對(duì)比計(jì)算分析，各優(yōu)化方案帶來(lái)的氣動(dòng)參數(shù)影響量對(duì)比見(jiàn)圖3?？梢钥闯?，在飛機(jī)巡航常用迎角以及一定側(cè)滑角范圍內(nèi)，各優(yōu)化方案相比原方案的全機(jī)阻力系數(shù)均有所下降，同時(shí)三通道靜穩(wěn)定性也有不同程度下降，其中方案3產(chǎn)生的阻力系數(shù)下降量最大，方案4的橫航向靜穩(wěn)定性下降量最小，因此可初步選擇方案3、方案4作為下一步的重點(diǎn)研究方案，進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用CFD計(jì)算方法可以快速獲得準(zhǔn)確度較高、真實(shí)可信的氣動(dòng)預(yù)估結(jié)果，在方案設(shè)計(jì)階段需要對(duì)多個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)化選型設(shè)計(jì)時(shí)可極大地提高設(shè)計(jì)工作效率，減少風(fēng)洞試驗(yàn)研究等工作量，同時(shí)也可以對(duì)候選方案的不足和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)估，降低了研制成本和風(fēng)險(xiǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] （美）約翰D.安德森，著，計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M].吳頌平，劉趙淼，譯，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2] Blevins，R.D.Applied Fluid Dynamics Handbook.van Nostrand，1984.

[3] Tinoco E N.An assessment of CFD prediction of drag and other longitudinal characteristics[R].AIAA 2001-2002，2001.