飛行器氣動設計
關注創建者：我愛飛機 創建時間：2023-09-07
飛行器氣動設計的視頻教程
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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飛行器氣動設計的實例教程
設計手段—試驗與CFD仿真
4.1. 試驗與CFD缺一不可
無論是高機動的飛機還是可復用的火箭，氣動設計上，試驗數據仍是目前確定飛行器的基礎和依據。試驗包括地面試驗和飛行試驗。飛行試驗包括地面火箭助推驗證及空中載機拋射，是除了真機試飛外最有效獲取氣動特性的手段，但高昂的價格使得其無法成為氣動設計中的常用手段。
地面的高低速風洞試驗是氣動力設計中的主要內容之一：初步設計階段有選型試驗，詳細設計階段有定型試驗。試驗內容包括測力、測壓、顫振、動導、旋轉天平、立式風洞試驗等。
圖23 典型非常規風洞測力試驗
在CAE中，CFD是核心。CFD可評估巡航和機動飛行條件下的飛行器性能，計算定常和非定常的載荷以進行結構設計，提供導數進行飛行控制系統的設計，以及提供氣動數據對設計變量的敏感度進行優化設計。現代復雜氣動布局飛行器的研制過程已然證明，有效使用CFD方法可以大量節省設計經費、縮短研制周期。但復雜外形跨速域飛行器的氣動設計不僅對CFD提出了巨大挑戰，也使CFD愈顯其在設計中的重要地位和巨大作用。
圖24 波音與NASA聯合提出的CFD發展路線
4.2. 試驗的不可或缺性：CFD模擬能力尚有不足
CFD工程師及飛行器設計師眼中，對待風洞試驗及CFD的態度是不一樣的。很多數據顯示，在新型復雜構型飛行器的氣動設計中，CFD占比越來越大，作為一個CFD工程師，毫無疑問會相信，未來風洞試驗在飛行器氣動設計過程中會逐漸萎縮，最終演變為一個氣動特性的驗證手段。但是氣動布局設計師，也會認同這樣的觀點嗎？通過圖12，我們可以看出，在CFD技術工程上已然十分成熟的今天，型號上的風洞試驗絲毫未見減少，但為什么會有風洞試驗可能被取代的“錯覺”？
展開 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 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。
圖片來源：網絡
02 CAE仿真技術在航空航天中的應用
1.飛行器設計與優化
在飛行器的設計過程中，CAE仿真技術扮演著至關重要的角色，它可以幫助工程師們進行飛行器外形設計、氣動性能分析、結構強度驗證等一系列重要任務。通過數值模擬和虛擬試驗，工程師們可以在計算機環境下進行快速、準確的仿真優化，確保飛行器設計能夠達到最佳性能。
無人機（四軸飛行器）
這是使用 SolidWorks 設計的四軸飛行器的詳細 3D CAD 模型。該組件采用三臂結構，包含無刷電機、螺旋槳、中央框架和已安裝的電池組。該結構針對輕量化性能進行了優化，展示了逼真的機械組件，例如電機支架、支撐架和模塊化框架。非常適合無人機設計演示和原型設計。
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CAE仿真技術在航空航天中的應用
1飛行器設計與優化
在飛行器的設計過程中，CAE仿真技術扮演著至關重要的角色，它可以幫助工程師們進行飛行器外形設計、氣動性能分析、結構強度驗證等一系列重要任務。通過數值模擬和虛擬試驗，工程師們可以在計算機環境下進行快速、準確的仿真優化，確保飛行器設計能夠達到最佳性能。
因此，為了控制成本，應盡早地掌握產品將具有的性能，意味著需要盡可能早的設計階段進行高保真度的幾何數模和CFD模擬，這已然成為現代復雜飛行器氣動布局設計的重要特點。
圖8 高保真設計對設計流程的影響
復雜氣動布局飛行器設計的CAE包括計算流體力學（CFD）、計算固體力學（CSM）、計算電磁學（CEM）和計算聲學（CAA）等。
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
雷達隱身要求對飛行器總體氣動設計帶來的影響
在傳統的氣動力設計方面, 研究的重點是得到一個高升阻比、易于控制且敏捷的氣動力布局和外形。雷達隱身外形設計要求的引入, 給飛行器氣動力設計帶來了新的約束, 導致許多傳統的氣動力設計準則做出讓步。
在傳統的設計中, 為了降低阻力, 要求盡量減小飛行器的浸潤面積。
魅影團隊核心成員，長期致力于特種布局無人機、太陽能無人機、新概念垂直起降無人機、仿生無人機等飛行器的總體設計、氣動布局設計技術研究。
周洲，教授，博導，長江學者。
