氣動外形
關注創建者：航發設計 創建時間：2022-09-26
氣動外形的視頻教程
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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氣動外形的實例教程
廖孟豪等[3]對美國軍方和軍工部門提出的4個高超聲速作戰飛機概念方案進行了梳理，對比分析了各個概念方案的氣動布局特點，分析認為，美國高超聲速作戰飛機氣動布局向提升低速特性、降低內外流耦合程度、增加機身容量等方向演變。左林玄等[4]詳細總結了高超聲速飛行器的氣動布局分類，并指出未來高超聲速飛行器的布局將向翼身融合布局和乘波體布局兩個方向發展。李憲開等[5]結合高超聲速飛機的需求，分析了高超聲速飛機氣動布局設計存在的問題、難點和關鍵技術。
氣動布局技術是水平起降高超聲速飛機研制的核心技術之一。崔凱等[6-7]采用前體/發動機一體化設計思想，給出了一種雙旁側進氣翼身融合體概念設計方案。國內對高超聲速飛行器的相關研究日趨活躍，但對高超聲速飛機尤其是氣動布局方面的研究還不多，而且缺乏具體的應用背景和需求指標牽引。劉濟民等對高超聲速ISR平臺的軍事需求進行了分析，并對其在未來海戰中的應用進行了研究[8]。根據軍事需求分析得到的能力需求，目前的技術發展水平和對未來作戰使用的基本構想，對高超聲速ISR 平臺做以下技術想定，見表1。
表1 高超聲速ISR平臺主要技術指標
Table 1 Main technology index of hypersonic ISR vehicle
本文以上述高超聲速ISR 平臺目標圖像為需求牽引，擬采用類乘波體氣動布局，對高超聲速ISR平臺的氣動外形進行初步設計與性能分析，并進一步驗證氣動外形概念方案滿足設計需求的程度，找到軍事需求與技術滿足度之間的差距，為高超聲速飛機氣動布局技術研究指明努力的方向。
1 氣動外形設計方法
氣動外形設計包括乘波前體氣動外形優化設計、機翼設計。在此基礎上，進行高超聲速ISR 平臺氣動外形一體化設計，包括乘波前體與機身的集成、機翼與機身的集成，以及后體與機身的集成三部分。
展開 我們所見到高鐵列車車頭大多是近似尖頭狀的，很顯然，這是為了列車頭有更好的外形氣動性能，以降低高速行駛時迎面的垂直于截面的滯止壓力，減小列車風阻。外形氣動性能分析是高鐵列車頭外形設計必經的步驟之一，那么，列車頭的風阻到底能達到一個什么樣的程度呢？
以往對于列車、汽車、飛機等進行外形氣動分析，依靠的主要是按比例縮小的風洞模型試驗。簡單地說，就是按一定比例做一個產品的縮小模型，將它靜置于一個高速空氣流動的環境，風向與模型車頭的方向相逆，以模擬產品在真實環境中行進的情況，并從中測算風阻等數據。目前，很多重要交通、國防裝備依然要進行風洞試驗。央視紀錄片《超級工程》曾出現CRRC動車組縮小比例模型風洞試驗的畫面。
CRRC風洞試驗（圖片來自紀錄片《超級工程》，侵權請聯系刪除）
但隨著20世紀60年代起計算流體力學理論（CFD）和計算機的發展，CFD相關軟件在這些裝備的氣動分析方面起著越來越重要的作用。人們通過質量守恒、動量守恒和能量守恒三大方程為世界上大多數物理、化學現象建立了離散化的數學模型并不斷完善，而計算機技術的發展有支持了復雜幾何和現象的大規模運算。加上對于高速列車、大型飛機的風洞試驗成本極高、周期長，而CFD技術則更有效率上的優勢。有分析稱，目前90%的風洞試驗已被CFD模擬所取代。所以，一個算法完善的CFD工具在計算列車風阻上已不存在問題。
這里散仙使用Star-CCM+進行列車風洞系統建模和CFD模擬。首先依照國內比較常見的A型高鐵列車頭建模，列車截面寬3m，高3.8m，總長約50m，列車頭型按常見的和諧號建模。車底和其余部位做了幾何簡化。并置于一個長60m、寬15m、高10m的長方體風洞中。按直線行進時速300km計，邊界條件設置為入口83.3m/s，計算模型使用穩態、k-ε湍流模型、分離流等模型。
展開 最后，利用 CATIA 中的相關指令，構建新的曲面并拼合成整體，得到了飛魚各部分的氣動外形模型。
沈海軍介紹說，仿生飛魚無人機氣動外形一方面可以在后續使用電腦軟件計算氣動性能，另一方面用來作為三維飛魚結構模型的外形曲面。
揭示飛魚可長時間滑翔的秘密
飛魚無人機的氣動性能如何，是決定它能否順利起飛的關鍵。“為了獲得飛魚無人機的氣動性能，我們利用計算流體力學軟件在大型工作站上對飛魚進行了理論模擬與分析。”團隊成員鄒施睿告訴《中國科學報》記者，他們為了得到精準的理論數據，在飛魚計算流體模型中進行了結構網格的劃分。采用四面體形式的網格形式，全流場域內網格元素數量達到千萬級。其間，他們還對機翼和尾翼的前緣和后緣進行了網格加密，以提升計算精度。
經過數月的計算和數據整理，團隊最終獲得了飛魚無人機的表面壓力、流場、壓力場，以及升力/阻力/升阻比和穩定性曲線等一系列氣動性能數據。
計算數據顯示，飛魚的氣動性能十分優異，其機翼機身上表面流速較快，可形成低壓區，為飛魚提供充裕的升力。由于主機翼（胸鰭）和平尾（腹鰭）之間氣流的干涉，使得飛魚獲得了額外的升力。
“這為我們揭開了飛魚可長時間滑翔的秘密。”研制團隊成員說。
沈海軍告訴記者，仿真結果還表明，飛魚的失速迎角可高達30度，超出了諸多現代飛機的失速迎角，表現出了極其出色的抗失速能力；最大升阻比可達25，遠超出現在的絕大多數飛機。
仿生飛行學的魅力
萬事俱備，只欠“制作”。沈海軍說，按照一般結構設計要求，飛機的結構和制造工藝要盡可能簡單可靠，且重量足夠輕。
展開 最后，利用 CATIA 中的相關指令，構建新的曲面并拼合成整體，得到了飛魚各部分的氣動外形模型。
沈海軍介紹說，仿生飛魚無人機氣動外形一方面可以在后續使用電腦軟件計算氣動性能，另一方面用來作為三維飛魚結構模型的外形曲面。
揭示飛魚可長時間滑翔的秘密
飛魚無人機的氣動性能如何，是決定它能否順利起飛的關鍵。“為了獲得飛魚無人機的氣動性能，我們利用計算流體力學軟件在大型工作站上對飛魚進行了理論模擬與分析。”團隊成員鄒施睿告訴《中國科學報》記者，他們為了得到精準的理論數據，在飛魚計算流體模型中進行了結構網格的劃分。采用四面體形式的網格形式，全流場域內網格元素數量達到千萬級。其間，他們還對機翼和尾翼的前緣和后緣進行了網格加密，以提升計算精度。
經過數月的計算和數據整理，團隊最終獲得了飛魚無人機的表面壓力、流場、壓力場，以及升力/阻力/升阻比和穩定性曲線等一系列氣動性能數據。
計算數據顯示，飛魚的氣動性能十分優異，其機翼機身上表面流速較快，可形成低壓區，為飛魚提供充裕的升力。由于主機翼（胸鰭）和平尾（腹鰭）之間氣流的干涉，使得飛魚獲得了額外的升力。
“這為我們揭開了飛魚可長時間滑翔的秘密。”研制團隊成員說。
沈海軍告訴記者，仿真結果還表明，飛魚的失速迎角可高達30度，超出了諸多現代飛機的失速迎角，表現出了極其出色的抗失速能力；最大升阻比可達25，遠超出現在的絕大多數飛機。
仿生飛行學的魅力
萬事俱備，只欠“制作”。沈海軍說，按照一般結構設計要求，飛機的結構和制造工藝要盡可能簡單可靠，且重量足夠輕。
展開 據悉FL-62風洞將用來幫助設計中國第六代戰機的氣動外形，檢測其超高速飛行時的性能，有了這個關鍵設備，中國6代機的研發已經水到渠成。
▲圖為中國超音速風洞內部
雖然目前國際上對6代機的標準還沒有準確定義，但是中國的6代機肯定將擁有比殲20更出色的隱身性能、更高的速度、更先進的航電設備；甚至可能會采用人工智能控制技術，并配備激光武器。而為了對第六代戰機的速度極限做出充分測評，FL-62風洞能大大提高測試效率。
▲圖為中國6代機想象圖
FL-62風洞容積達到了一萬七千立方米、長265米、重6600噸，當試驗模型被放入通道中時，空氣會被FL-62強大的風扇系統吸入吹過被測模型，模型上的傳感器來檢測所承受的各種空氣動力學相關參數。這樣一來，中國可以在制造多種6代機氣動外形模具，在風洞中測試各種時速下的性能，最后確定最佳的氣動外形。
▲圖為FL-62風洞CG示意圖
不僅如此，FL-62風洞高達25馬赫的測試極速，可以用來模擬東風21D、東風26的彈頭重返大氣層的環境。東風21D、東風26是一種專門用來攻擊移動艦艇的導彈，彈頭在高速下的轉向需要承受極高的壓力，FL-62可以幫助檢測這些導彈彈頭所存在的缺陷。
▲圖為東風26導彈
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即便如此，細小的灰塵也會難免吸入，粘在壓氣機葉片表面，破壞工程師精心設計的氣動外形。
通過CAE技術，工程師可以進行葉片的氣動外形設計、結構優化和強度分析。利用計算流體動力學模擬葉片周圍的流場，優化葉片的氣動性能，提高風能捕獲效率。同時，通過有限元分析確保葉片在各種工況下的結構安全性。
PhysicsAI 優勢在于無需參數化，傳統參數優化需要用戶定義尺寸參數，如懸架高度、車身寬度等，而參數定義本身就會帶來約束，且整車氣動外形很難用少量參數精確表達。因此，用幾何深度學習方法預測風阻是一種較理想的方式。
第一步是準備樣本。如果已有歷史數據，車身表面數據，Pressure 和 Wall Shear Stress 可直接作為訓練集。
特別適合無人機設計工程師快速掌握復雜氣動外形的工業級網格生成策略、CFD工程師學習多物理場仿真的網格適應性優化方法，以及航空航天領域研究人員構建高升力構型數值模擬的技術框架。
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1 導入幾何模型
在固定翼無人機流場仿真中，Fluent Meshing的網格劃分流程始于幾何模型的預處理階段。
Altair 解決方案有效銜接高精度 CFD 仿真與工程實踐，使 JetZero 在氣動外形與結構的概念設計階段，較傳統方法顯著提升效率。FlightStream 以卓越計算速度與低硬件負載為核心優勢，配合直觀界面與強健求解器，成為快速原型設計迭代與深度氣動研究的理想工具。
</p><p><br></p><p>我們研究一款飛機第一步肯定是進行初步概念設計階段快速外形設計迭代仿真，也就是飛機氣動外形設計，比如eVTOL旋翼要怎么設計怎么布置，如果有固定機翼的話，固定機翼的形狀布置設計。
飛機裝配檢測：在飛機裝配過程中，三坐標測量機可用于檢測機身、機翼、尾翼等部件的裝配精度，確保飛機的氣動外形和結構強度。同時，還可以對飛機的起落架、艙門、座椅等附件進行檢測，保證其安裝位置和功能正常。
3. 航空發動機檢測：對航空發動機的轉子、靜子、燃燒室等部件進行高精度測量，檢測其尺寸精度、形狀精度和位置精度。這有助于提高航空發動機的性能和可靠性，降低維修成本。
擁有豐富的汽車造型設計、航空氣動外形設計及高科技ID設計等工作經驗及項目實施能力。目前專注于CATIA工業設計領域相關咨詢顧問工作，在AI輔助工業設計領域有一定的應用經驗和見解。</p><h3><strong>會議聚焦：</strong></h3><ul><li class="ql-align-justify">如何讓AI生成既符合工程要求，又符合設計意圖的效果圖?
