氣動外形的案例
高超聲速飛機氣動外形概念設計
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 列車氣動外形分析：車頭越尖越好嗎？
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 “仿生飛魚無人機”飛上天
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 極速25馬赫！關鍵設備已就緒，中國6代機研發水到渠成
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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“仿生飛魚無人機”飛上天
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 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
一
飛機外氣動
飛機外氣動仿真設計包括總體氣動設計和部件氣動設計，具體分析包括：
飛機氣動性能分析
氣動彈性分析
氣動噪聲
飛發一體化氣動設計
外掛一體化氣動設計
螺旋槳氣動設計
飛機部件氣動參數優化
飛機氣動外形拓撲優化
飛機水上迫降分析
飛行排液分析
飛行結冰分析
飛機防/除冰分析
飛機空投分析
二
彈箭外氣動
彈箭超音速/高超音速氣動設計
彈箭氣動熱設計及綜合熱設計
彈箭舵面氣彈分析
彈箭氣動噪聲分析
彈箭發射及彈道軌跡設計
火炮出膛分析
火箭級間分離分析
彈箭入水/水下發射及空化分析
彈箭氣動外形優化
Ansys高效高精度氣動解決方案
Ansys飛行器外氣動解決方案將高效模型處理、高效高質量網格劃分、高精度氣動求解器、先進的氣動優化技術、行業領先的多場耦合技術、具有線性加速的高性能并行技術、以及強大的后處理技術集成在同一個仿真平臺上
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一
飛機外氣動
飛機外氣動仿真設計包括總體氣動設計和部件氣動設計，具體分析包括：
飛機氣動性能分析
氣動彈性分析
氣動噪聲
飛發一體化氣動設計
外掛一體化氣動設計
螺旋槳氣動設計
飛機部件氣動參數優化
飛機氣動外形拓撲優化
飛機水上迫降分析
飛行排液分析
飛行結冰分析
飛機防/除冰分析
飛機空投分析
二
彈箭外氣動
彈箭超音速/高超音速氣動設計
彈箭氣動熱設計及綜合熱設計
彈箭舵面氣彈分析
彈箭氣動噪聲分析
彈箭發射及彈道軌跡設計
火炮出膛分析
火箭級間分離分析
彈箭入水/水下發射及空化分析
彈箭氣動外形優化
Ansys高效高精度氣動解決方案
Ansys飛行器外氣動解決方案將高效模型處理、高效高質量網格劃分、高精度氣動求解器、先進的氣動優化技術、行業領先的多場耦合技術、具有線性加速的高性能并行技術、以及強大的后處理技術集成在同一個仿真平臺上
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一、飛機外氣動
飛機外氣動仿真設計包括總體氣動設計和部件氣動設計，具體分析包括：
飛機氣動性能分析
氣動彈性分析
氣動噪聲
飛發一體化氣動設計
外掛一體化氣動設計
螺旋槳氣動設計
飛機部件氣動參數優化
飛機氣動外形拓撲優化
飛機水上迫降分析
飛行排液分析
飛行結冰分析
飛機防/除冰分析
飛機空投分析
二、彈箭外氣動
彈箭超音速/高超音速氣動設計
彈箭氣動熱設計及綜合熱設計
彈箭舵面氣彈分析
彈箭氣動噪聲分析
彈箭發射及彈道軌跡設計
火炮出膛分析
火箭級間分離分析
彈箭入水/水下發射及空化分析
彈箭氣動外形優化
Ansys高效高精度氣動解決方案
Ansys飛行器外氣動解決方案將高效模型處理、高效高質量網格劃分、高精度氣動求解器、先進的氣動優化技術、行業領先的多場耦合技術、具有線性加速的高性能并行技術、以及強大的后處理技術集成在同一個仿真平臺上，從而提供了一套完整的高效高精度飛行器解決方案。
展開 殲20為何要不斷升級？一文看懂戰機改進的基本邏輯
這些涉及氣動外形的“微調”包括：
為了裝配更大推力的發動機，改為采用進氣流量更大的進氣道；
為了擴展觀測和瞄準能力，在機身上安裝凸起的光學窗口；
在機身內沒有多余空間的情況下，為了安裝新的機載設備，只好在機身上方布設隆起的“脊背”；
對于隱身飛機，還會根據電磁信號特征測試的結果，進行一些局部外形的切尖/拉直等調整。
而相較于外形的變化，內部的機載設備、配套的新型武器才是改進重點——特別是火控雷達、導航通信、電子戰、機載任務系統、座艙顯示交互系統等。
智能柔性變形機翼技術的應用與發展
但是，固定機翼的局部剛性變形會使翼型截面幾何廓形產生非連續變化和曲率突變，影響氣動特性。更大的問題在于飛行環境參數是連續變化的，固定式機翼通常只能在一個設計點達到最優氣動性能，大多數情況下性能不佳，在提升飛行性能和多任務適應性等方面存在瓶頸。
近年來，隨著軍事偵察打擊、遠程運輸和醫療救災等對飛行器性能要求的不斷提高和技術的發展(尤其是無人機的應用發展)，先進飛行器向著智能化、高效能化和偵查/打擊一體多任務化的方向發展。這種情況下，傳統的固定式機翼技術逐漸無法滿足應用需求，能夠適應多種飛行任務和不同環境條件并達到最優飛行性能的變形機翼技術受到日益廣泛的關注和研究。
目前，變形機翼已經成為未來先進航空飛行器的重要特征和發展方向。與固定式機翼不同，變形機翼可以根據不同的飛行任務和飛行環境條件改變機翼形狀進而獲得最優的飛行性能。利用變形機翼可使一架飛機高性能地執行多種任務，高效地完成通常需要不同飛機執行的不同屬性的任務或組合型任務，同時在飛行過程中改變機翼的氣動外形，適應不同的飛行環境和條件，達到最優效能。
為滿足上述應用要求，變形機翼在性能上要求能夠進行連續性、大尺度、多自由度、高速率的主動變形，并實時感知飛行載荷和氣動外形變化，這使其在設計制造上不能采用傳統方式，需要研究采用新型的材料、結構和驅動控制與傳感技術，使變形機翼在功能性、承載性和可靠性上符合實際飛行的性能要求。
展開 
龐巴迪使用modeFrontier優化高速列車
降低能源消耗意味著車輛的氣動外形優化，因而不可避免地面臨著兩個主要的對立因素：風阻最優的模型，沒有較好的側風穩定性，反之亦然。此外，高載客量和最佳氣動外形以及外觀和功能之間也不總能同時取優。這些都是龐巴迪選擇modeFRONTIER軟件的部分原因，該軟件作為一個多目標多學科優化設計平臺，被應用于屢獲殊榮的ZEFIRO 380列車的設計。
“通過多目標優化方法在龐巴迪高速列車中的應用，得到了一個極具競爭力的產品，由于需要的標準牽引功率降低，即保證了能源效率的提高，又降低了成本。”
亞力山大?奧雷蘭諾，龐巴迪公司的空氣動力學首席專家，該公司是航空和鐵路運輸領域的世界領先者。
優化的目標是得到一個Pareto優化設計，或者叫均衡設計，同時具有較低的風阻和較高的側風穩定性。為了得到這樣的設計，使用了modefrontier軟件，不僅可以集成龐巴迪所使用的各種CAE工具，還用來驅動幾何變形和仿真過程，并為，并為結果的解釋提供必要的圖形工具。modeFrontier，由ESTECO公司開發，綜合了三維建模以及對于風阻和側風穩定性的仿真，使用遺傳算法來最終得到Pareto優化解。龐巴迪公司的專家們考慮了建模階段多達六十種不同的設計參數，包括列車的外殼、駕駛室、碰撞結構以及人體工程學約束。公司最終得以降低空氣阻力20%，減少約10%的能源消耗。通過使用modeFRONTIER，龐巴迪工程師可以從一系列設計中進行選擇，以適應特定的造型喜好，同時又能保證能源消耗的優化且最大化穩定性和安全性的準則。
展開 仿真模型互通及ANSYS多物理場技術分析
對于仿真技術而言，過去僅考慮單個物理場，比如結構強度、氣動、磁場強度、電場強度等性能，已經越來越難以滿足市場的現實需求。在實際產品開發過程中，設計師需要綜合各方面因素，尤其是需要考慮多物理場/學科之間的相互影響。以飛機氣動外形設計為例，設計師在優化飛機氣動外形設計的同時，需要兼顧雷擊防護，RCS等電特性，還要保證機體結構外形/材料等參數調整以后，不會影響整機、關鍵部位的結構強度。
ANSYS專注工程化的仿真技術開發近50年，尤其是在多物理場耦合/多學科系統集成仿真領域已耕耘近20年。支持ANSYS自研“單一求解器架構”、“多求解器耦合架構”多物理場耦合技術；更可以通過相關接口，集成第三方語言、工具、標準，最終實現復雜系統高魯棒性多學科系統集成仿真，有效支撐企業新產品的創新開發需求，支撐企業數字化轉型。
以飛機電動剎車系統多學科系統實際工程仿真為例。整個系統由控制、電力電子、電做動、機械傳動、電動剎車盤、輪轂、輪胎等部件組成，上述模型在系統仿真集成前，需要進行有效的創建與驗證。同時上述模型在創建過程中，除了考慮基本性能意外，還需要考慮不同物理場之間的相互交互影響，比如地面濕滑程度，飛機飛行高度/速度，不同溫度等因素。在ANSYS環境下，用戶可以通過多種途徑分別構建上述部件、分系統的高保真模型，如電路、框圖、狀態機、物理場模型集成、第三方廠商元件庫、第三方軟件系統仿真等。同時，以相關技術為支撐，如物理場模型降階等技術，有效保證上述模型在系統中的求解速度，最終達到系統仿真精度與速度的平衡。
另外，多物理場/多學科仿真技術在實際應用過程中涉及大量數據、流程、經驗的管理問題。
展開 飛機如何在空中高速機動
當然大多數飛機在進行高空轉彎操作的時候，都是多種結合的，早起需要飛行員單獨調整，近現代的飛機已經可以通過電子控制操作，從而讓飛機保持最好的氣動狀態。
另外，在轉彎時為了保證飛機的高度不會下降，飛行員還需要操作升降舵讓升降舵向上進行偏轉，這個時候尾部阻力上升，造成機頭上抬，整體的機翼迎角進一步加大產生更大的升力，當飛機達到預定的坡度后，駕駛員將駕駛桿回中，保持坡度，調整方向舵協調飛機轉彎。
這就完成了轉彎的前部分，因為轉彎之后還需要退出轉彎，退出轉彎和進入正好相反，這里就不過多解釋了，軍用飛機因為速度和氣動外形更加出色，再加上有先進的電子設備操作各個可動部件，因此可以在極短的時間之內完成轉彎的操作，有些戰機基本上不依靠方向舵，飛行員通過在側壓桿的同時拉桿，使飛機在機頭的指向和機腹的升力作用下進行快速轉彎。
除了這種常規的氣動外形之外，對于一些沒有垂尾的飛機則有一些獨特的方式，但是基本原理也都差不多，例如美國的B2轟炸機，采用的是獨特的飛翼布局。
在B2轟炸機的機翼外段后緣設計成了開裂式翼面，這個翼面在同時開裂的時候可以作為減速板使用，而在不對稱開裂的時候，就會造成左右翼的受力不平衡，從而達到方向舵的目的，這就是目前大多數的軍用戰機的主要轉彎方式了。
本文來自：軍事高科技在線
展開 細節曝光！攻擊11無人機模型亮相，詳細性能披露
通過該攻擊-11無人機的等比例模型展示，我們可以發現，其不僅有著非常不錯的隱身外形，同時，它內置彈艙的容積還非常的巨大，能夠同時攜帶多枚炸彈，具備較強的單機作戰能力。
▲我國自研的攻擊-11無人機應用了有益于提高自身隱身能力的飛翼氣動外形技術（圖片來源于：網絡）
以當前媒體披露的信息，并結合此次公開的攻擊-11無人機的等比例模型推測，由我國自研的攻擊-11無人機采用了飛翼氣動外形技術，而此類技術此前也被美國B-2隱身遠程戰略轟炸機等一眾機型采用，它最大的優點便是擁有較好的隱身能力。因此，采用此外形的攻擊-11無人機，具備了較強的隱身突防能力，能夠在未來可能發生的作戰行動里，深入并摧毀被嚴密防空體系保護的敵方縱深位置上的各類高價值目標。
▲從模型里可以發現我國的攻擊-11無人機機腹下方擁有兩個尺寸較大的內置彈艙（圖片來源于：網絡）
同時，當前的攻擊-11無人機的機腹下還擁有兩個較大尺寸的內置彈艙。這兩個彈艙內能夠攜帶多種不同類型的導彈或炸彈，比如，此次披露的攻擊-11無人機等比例模型里就展示兩個內置彈艙內，分別攜帶一枚500公斤/1000公斤左右炸彈和六枚250公斤左右炸彈的樣貌，且這些炸彈都不是普通的非制導航彈，而是采用了滑翔套件的滑翔衛星制導炸彈，不僅擁有較高的命中精度，且投射距離比較遠，甚至具備對面目標的防區外打擊能力。
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