飛行器氣動優化
關注創建者：Oler 創建時間：2019-04-27
飛行器氣動優化的視頻教程
使用ANSYS Fluent非結構網格分析三維飛行器的氣動特性
本課程從ICEM詳細劃分非結構網格，再到Fluent設置，簡單介紹了某種固定翼飛機的氣動仿真過程基礎，并包括簡單的后處理，網格加密處理等，可以得到指定來流情況下，飛機的氣動力情況。適用于零基礎入門氣動分析。（飛機仿真/非結構網格/飛機流場仿真/飛行器） 有疑問建議隨時交流，共同進步！
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FLUENT adjoint伴隨優化求解技術在空氣動力學方面的應用
適用人群：Fluent Adjoint Solver高效流體拓撲優化可用于各行業場景相關的流體優化，如飛行器氣動外形優化、內流管路設計優化、旋轉設備效率設計優化、散熱裝置散熱特效優化等。歡迎相關人員來聽課。
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飛行器氣動優化的實例教程
（5）進行氣動加熱計算需要打開能量energy選項，viscous采用S-A模型。
（6）接下來對Materials模塊中流體部分的氣體air設置為ideal-gas模型，實際計算中氣體壓強與飛行器所處高度有關，本文不區分。因為暫未進行流固耦合計算，固體部分不需要改動。
（7）邊界條件設置簡單地可將流體外邊界全部設置壓力遠場邊界，一般也可在前端邊界設置為壓力遠場，后端設置為壓力出口邊界。本文計算采用2馬赫，迎角為0度。
（8）求解設置如下。
（9）點擊initial初始化。
（10）最后是設置迭代步數，即可開始計算。
（11）收斂曲線如下：
在上文中，我們已經學習了飛行器氣動生熱的內容，但是只考慮了流體部分的性質，實際上我們更為關注的是飛行器部分的性質。飛行器表面溫度升高，熱量不斷向結構內部傳導，此時需要進行流體-固體耦合分析。在得到部件溫度后還可進行溫度荷載下的熱應力分析。
很多工程場景是相通的，背后涉及的物理過程是一致的，例如芯片等電子元器件的散熱分析，電池系統的熱控制，均與本文的分析過程相似。對于基本問題的學習，有利于我們在各種工程問題上應付裕如。接下來我們一起來學習流固耦合。主要步驟如下：
（1）首先在建模時需要考慮的是各個部分應該處于連接的狀態，一種方式是共節點，另外一種方式是設置接觸面，本文采用共節點的方式，如下圖所示，選中各個部分右擊Form New Part即完成共節點設置。
（2）在設置共節點后進行網格劃分，可以看到各部分連接處是共用節點單元的。
（3）在瞬態計算前先進行穩態計算，穩態計算與上文中的設置相同。
展開 例如：
（1）復雜構型氣動布局總體方案快速閉環
創新的飛行器氣動布局，是否總體方案上滿足性能需求，精確快速的氣動特性數據是關鍵，同時的制約因素還有經費。或者說，型號/課題立項前，CFD無疑是黑暗中探索道路最有效的明燈。
圖29 空射洲際彈道導彈系統
（2）部件及布局參數化優化設計
利用CFD技術自動優化幾何外形，近20年來得到了快速的發展及廣泛的應用。不同于傳統上基于經驗的方案“優選”，基于CFD技術的多點多目標優化工具設計的氣動布局接近于物理上的全局最優方案。波音公司發展的TRANAIR優化器，可處理高達600個幾何自由度和45000個非線性不等式的約束條件。
圖30 Star-CCM+自帶的飛行汽車氣動外形優化設計案例
（3）多學科綜合一體化設計
為使飛行器綜合性能達到最高水平，需要的是多學科綜合的優化，實現多學科的一體化設計。如：氣動/隱身一體化設計，氣動力/熱一體化設計，氣動/結構一體化設計，氣動/飛行/推進系統一體化設計等等。融入多學科新技術、新成果的氣動布局設計中，精細化的設計奠定了CFD不可撼動的地位。以氣動/結構一體化設計為例，目前已實現10億網格的氣彈仿真工程化。
（4）風洞試驗無法覆蓋或代價極大的工況
風洞試驗由于風洞尺寸、設備、氣源等原因，很多工況地面試驗無法開展，如進氣道前堵網影響，大落壓比的噴流模擬。對飛行器表面突出物的優化設計，通過風洞試驗，其代價將難以接受。
5. CFD的意義建立在精準之上
CFD處于蓬勃發展的年代，日新月異的CFD工具更是讓我們變成選擇困難癥。作者本人一直的觀點，在精準的基礎上，更快更友好，就是我們的好朋友。
展開 Ansys解決方案
Ansys飛行器外氣動解決方案旨在幫助企業總體氣動設計工程師在統一的仿真平臺上充分評估飛行器總體氣動的各項性能指標，充分優化飛行器氣動外形設計、氣動熱分析、氣動噪音評估、彈箭發射及彈道軌跡等。
當今航空航天技術發展迅猛，以微電子技術為基礎的光電技術、生物技術、超導技術、納米技術和計算機、新材料、新能源、傳感器技術等一系列相關領域技術的迅猛發展，使得航天飛行器的發展也進入了一個前所未有的巨變期。
飛行器將出現高速化、隱身化、無人化、精確化、信息化的趨勢。展望未來，下一代飛行器設計與目前流行的管狀和機翼結構有根本的不同，預計未來幾十年內會研制出一系列全新的飛行器，如高超音速攻擊機、無人攻擊機、無人作戰飛機、微型、超微型偵察機、智能結構飛機、超音速巡航導彈、空天飛機、軌道攻擊武器、全面攻擊武器系統等。這些飛行器是隱身技術、高超聲速技術、無人機技術、動能技術、航天技術及激光技術的綜合應用，他們將代表一個新型飛行武器時代的來臨。
同時，未來飛行器的發展對空氣動力學提出了嚴峻的挑戰，而飛行器外氣動及相關領域的進展又將對未來飛行器性能的提高帶來巨大的影響，有些可能是革命性的影響。計算流體動力學（CFD）技術的進展可使飛行器的設計、優化很容易在計算機上完成，不僅可大大節省研制費用，縮短研制周期，還可方便地進行優化設計，以獲得飛行器的最佳性能。可以預見，空氣動力學科發展和CFD的相互作用，將推動人類飛行器不斷向前發展。
Ansys解決方案
Ansys飛行器外氣動解決方案旨在幫助企業總體氣動設計工程師在統一的仿真平臺上充分評估飛行器總體氣動的各項性能指標，充分優化飛行器氣動外形設計、氣動熱分析、氣動噪音評估、彈箭發射及彈道軌跡等。
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飛行器氣動設計、結構強度與疲勞、燃燒與傳熱、電磁散射（隱身）、軌道動力學直接觸及了航空航天領域仿真的技術核心。作為UltraLAB圖形工作站的廠商，精準把握這些算法的計算特性，是為客戶提供最優硬件解決方案的關鍵。
我將為您逐一解析這五大航空航天仿真領域。
核心結論速覽表
1. 前言
中國有句俗話：“一層窗戶紙，一捅就破”。是指對某件事物當你不了解時，會感到很神秘，也難解決，一旦找到了解決方法，發現原來事情就這么簡單，“不過如此而已”。關鍵是能否迅速找到“捅破這層窗戶紙”的點子。
在飛行器氣動設計中總會遇到一些技術難點，本文無法給出大家實際遇到問題的解決方法。但想從以往實際工程中“捅破這層窗戶紙”的角度提供一些經驗供大家參考
在任何復雜系統的設計中，設計優化都是提高產品性能、滿足各種利益相關者要求、減少成本和上市時間的關鍵活動。在設計空間的自動搜索中，設計優化廣泛使用了計算機輔助工程（CAE）仿真。工程系統結合了子系統和組件；每個部件都由不同的物理建模，性能評估涵蓋了一系列工程學科，包括：流體動力學、結構、熱學、電磁和許多其他學科。這種組合被稱為多學科設計分析與優化
高速飛行器鼻錐
/天線罩面臨著強烈的氣動生熱環境，需要一種抗氧化
/燒蝕的耐高溫材料制備部件。碳化硅、硼化鋯以及硅硼碳氮（非透波體系）和氮化硅、氮化硼（透波體系）等先進陶瓷材料可作為其備選材料。除了需要考慮外邊緣選材外，對部件的熱控制也是需要考慮的重要因素，因此需要對部件的熱
-力狀態進行分析。計算流體力學
(CFD)是用于計算飛行器氣動加熱的重要工具，本文將初步介紹飛行器氣動加熱計算過程
(in Chinese)
［21］曹特.高超聲速飛行器氣動外形優化[D].南京：南京航空航天大學,2015.
Cao Te.Aerodynamicshape optimization of hypersonic vehicles[D].Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronau‐tics,2015.
Ansys解決方案
Ansys飛行器外氣動解決方案旨在幫助企業總體氣動設計工程師在統一的仿真平臺上充分評估飛行器總體氣動的各項性能指標，充分優化飛行器氣動外形設計、氣動熱分析、氣動噪音評估、彈箭發射及彈道軌跡等。
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