飛行器氣動優化的案例
Xflow助力飛行器氣動設計優化的優勢
行業應用方案 | 飛行器外氣動
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。
Ansys學習之飛行器氣動加熱（1）
（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 基于實際工程的飛行器氣動設計與仿真
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 
行業應用方案 | 飛行器外氣動
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。
行業應用方案 | 飛行器外氣動
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。
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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。
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展開 傾轉旋翼飛行器旋翼傾轉過程氣動仿真
傾轉旋翼飛行器旋翼傾轉過程氣動仿真
全新體驗的Fluent Meshing | 在飛行器外氣動分析中的應用
在飛行器外氣動數值模擬計算中，網格質量對計算結果有著至關重要的影響，特別是航空航天飛行器外氣動計算流體力學問題所涉及的復雜流場（如激波、流動分離等）必須采用非常密的高質量網格才能達到計算精度要求。高質量網格是高精度分析結果的保證，質量不好或者差的網格，則可能會導致計算無法完成或者得到毫無意義的結果。
通常，飛行器外氣動數值模擬計算對網格有以下兩方面的特殊要求：
一是考慮到近壁面粘性效應，需采用較密的貼體邊界層網格；
二是網格的疏密程度與流場參數的變化梯度大體一致。傳統的飛行器網格劃分方法是采用基于拓撲切割的網格劃分方法劃分結構化六面體網格。
基于拓撲切割的網格劃分
但是，基于拓撲切割的結構化六面體網格劃分方法具有拓撲切割繁瑣、難度大，需要花費大量的時間和精力等劣勢，特別是對于復雜飛行器模型（如包含掛架、多段高升力、起落架、外掛載荷等）來說，要切割出完整的網格拓撲則是非常難的。
隨著計算機硬件資源的發展及數值仿真并行加速效率的提升，非結構化混合網格在飛行器外氣動分析中逐漸得到廣泛應用，而具有流程化、高效、高質量的、多面混合網格劃分特點的Fluent Meshing更是在飛行器外氣動分析應用領域中脫穎而出。
Ansys于2019年推出了一種全新的、適合于復雜模型（包括飛行器）網格劃分的、基于流程化的、高效高質量的、干凈幾何網格劃分流程 (Watertight mesh：WTM），該流程將必要的設置按照流程節點方式進行組織和定義，極大的提升了軟件操作效率和網格劃分效率。
展開 航空航天領域的飛行器氣動設計、結構強度與疲勞、燃燒與傳熱、電磁散射（隱身）、軌道動力學 算法特點，及圖形工作站硬件配置推薦
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
仿真領域核心算法/方法計算特點主要計算平臺備注飛行器氣動設計
計算流體力學 (CFD)
求解大型稀疏矩陣、高內存帶寬、網格規模巨大
CPU多核 ≈ GPU
GPU加速已成主流，尤其在RANS和LES中。CPU用于復雜前處理。
結構強度與疲勞
隱式有限元法
求解大型線性方程組、對內存和CPU頻率敏感
CPU多核為主，CPU單核為輔
CPU是絕對主力，GPU加速正在興起，但成熟度不如CFD。
燃燒與傳熱
CFD + 化學反應動力學
計算密度極高、多物理場強耦合、極大規模
CPU多核集群 >> GPU
傳統上依賴CPU集群，GPU加速是前沿方向，潛力巨大。
展開 eVTOL飛行器螺旋槳多學科設計分析與優化
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（MDAO）。使用MDAO框架的動機是尋求一種行之有效的方法，以滿足不斷變化和日益復雜的環境的需求。
為什么要在eVTOL飛行器開發中進行多學科設計分析與優化（MDAO）
在過去的十年里，分布式電力推進（DEP）在航空領域的興起為飛行器設計問題增添了一種新的范式。電動垂直起降（eVTOL）飛行器在獨特的多學科環境中工作。這類飛行器的螺旋槳必須在巡航以及垂直和過渡飛行模式下運行。一些設計使用一組電動高升力螺旋槳（HLP）來增加流量，以在低速飛行條件下增加升力，而其他設計可以為垂直或短距起飛和著陸（V/STOL）提供額外的推力。幾個概念旨在實現機身空氣動力學和戰略集成推進器之間的良好相互作用，實現迄今為止無法實現的性能優勢。這些螺旋槳必須結構良好，以應對復雜的飛行器過渡。
展開 
抽華為MATE30：Fluent Adjoint Solver高效智能流體優化及最佳實踐介紹
本期研討會：《Fluent Adjoint Solver高效智能流體優化及最佳實踐介紹》將于11月19日 20:00-21:00舉辦。
直播主題
Fluent Adjoint Solver高效智能流體優化及最佳實踐介紹
日期/時間
2019年11月19日
20:00 – 21:00
課程受眾
ANSYS Fluent Adjoint Solver是一個高效智能流體優化模塊，根據給定的目標（氣動載荷、壓降、效率、溫度等）對流體分析系統進行智能的設計改進，得到最優解。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。
講師簡介
張理想
流體仿真軟件專家，對流體仿真相關軟件及多學科優化有系統性了解和研究，現任ANSYS中國流體高級工程師，負責ANSYS流體及相關軟件的售前推廣，對ANSYS流體產品、多學科優化、飛行結冰、多物理場耦合、ANSYS平臺方案等有關產品及方案應用有全面的了解和經驗。
展開 【今晚】ANSYS官方Fluent直播培訓：Fluent高效智能流體優化及最佳實踐介紹
本期研討會：《Fluent Adjoint Solver高效智能流體優化及最佳實踐介紹》將于11月19日 20:00-21:00舉辦。
直播主題
Fluent Adjoint Solver高效智能流體優化及最佳實踐介紹
日期/時間
2019年11月19日
20:00 – 21:00
課程受眾
ANSYS Fluent Adjoint Solver是一個高效智能流體優化模塊，根據給定的目標（氣動載荷、壓降、效率、溫度等）對流體分析系統進行智能的設計改進，得到最優解。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。
講師簡介
張理想
流體仿真軟件專家，對流體仿真相關軟件及多學科優化有系統性了解和研究，現任ANSYS中國流體高級工程師，負責ANSYS流體及相關軟件的售前推廣，對ANSYS流體產品、多學科優化、飛行結冰、多物理場耦合、ANSYS平臺方案等有關產品及方案應用有全面的了解和經驗。
展開 抽華為MATE30：Fluent Adjoint Solver高效智能流體優化及最佳實踐介紹
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Fluent Adjoint Solver高效智能流體優化及最佳實踐介紹
日期/時間
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20:00 – 21:00
課程受眾
ANSYS Fluent Adjoint Solver是一個高效智能流體優化模塊，根據給定的目標（氣動載荷、壓降、效率、溫度等）對流體分析系統進行智能的設計改進，得到最優解。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。
講師簡介
張理想
流體仿真軟件專家，對流體仿真相關軟件及多學科優化有系統性了解和研究，現任ANSYS中國流體高級工程師，負責ANSYS流體及相關軟件的售前推廣，對ANSYS流體產品、多學科優化、飛行結冰、多物理場耦合、ANSYS平臺方案等有關產品及方案應用有全面的了解和經驗。
展開 高超聲速飛機氣動外形概念設計
1.1 乘波前體設計
作者前期對高超聲速ISR平臺的乘波前體進行了優化設計和性能分析，優化后的乘波體具有應用于高超聲速ISR 平臺氣動外形設計的潛力。因此，選取參考文獻[9]中優化后的乘波體作為高超聲速ISR平臺的機身前體。
1.2 機翼設計
對于大多數的高超聲速飛行器，機身為主要升力面，利用前機身的壓縮產生主要升力。機翼作為次要升力部件，具有很大的改善空間，也需重點設計。由參考文獻[9]可知，高超聲速ISR 平臺乘波前體提供了一半以上的升力（113482N），還有一小半升力需要機翼來提供。另外，為了滿足水平起降設計要求，也需對機翼進行詳細設計。這就是高超聲速機翼的設計目標。
為了保證較好的波阻特性，對于高超聲速飛行器來說，在進行翼型設計選擇時一般會考慮較薄的對稱翼型，通常采用對稱雙弧形翼型、小展弦比大后掠梯形翼面[10]。機翼形狀相對簡單，由翼型參數和翼平面參數控制。對于高超聲速巡航類飛行器，機翼外形既要保證高超聲速ISR 飛行器巡航飛行時的升力和配平特性需求，又必須保證水平著陸時需要的高升力特性，同時機翼的重量還要輕。綜上考慮，確定高超聲速機翼的設計參數值及幾何參數見表2。
表2 機翼幾何參數
Table 2 Geometry parameters of wing
采用計算流體力學（CFD）方法來計算機翼的氣動性能，并對機翼升阻比L/D 與迎角α 進行非線性回歸分析。高超聲速機翼在迎角5° ≤α ≤14°范圍內的氣動性能數值計算結果見表3。其中，FL、FD分別為高超聲機翼的升力和阻力。
表3 機翼氣動性能與迎角的關系
Table 3 Relationship between aerodynamic performance of wing vs α
圖1 為高超聲速機翼的升力、阻力和升阻比隨飛行迎角的變化關系曲線。
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