飛行器氣動設計的案例
基于實際工程的飛行器氣動設計與仿真
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 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 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
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?？梢灶A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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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。
展開 Xflow助力飛行器氣動設計優化的優勢
Ansys學習之飛行器氣動加熱（1）
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，后續可能將學習
/介紹流體
-固體耦合作用，為可能的工程設計提供參考。
本文首先簡
單介紹他國學者發表在《美陶》上的一篇文章，該文章是通過
CFD
計算了超高溫陶瓷
ZrB2-SiC
熱防護系統的熱
-
力設計。本文作為初步的學習嘗試，并不會直接完全復現其結果，主要是介紹思路。
本文所采用的計算軟件為
Ansys workbench，在
workbench中已經集成了流體力學軟件
Fluent。接下來讓我們一起來學習一下基本操作。以下是我建立的一個三維模型，但是由于個人筆記本電腦算力不足，作為學習，我采用簡化的二維模型進行了計算，計算結果如下圖所示。
（1）首先是建立模型，拖拽geometry模塊進入操作界面即可建模，模型建立可以通過軟件自帶的Design model模塊，或者其他建模軟件，如solidworks等。主要原則是建立一個為大流場所包圍的固體模型，這里不詳細介紹。一般認為所建立的流場尺寸大于固體模型尺寸的20倍，由于計算量的關系，本文所采用的模型較小。
（2）在建立模型后，將模型與Fluent模塊連接，即將模型導入fluent計算模塊，接下來點擊mesh，對模型進行網格劃分，需要注意的地方是在流體-固體壁面需要設置層流邊界層，具體設置和劃分結果如下圖所示。
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 納飛特流體技術有限公司提供種子清選機流場數值模擬
南京納飛特流體有限公司提供計算流體力學（CFD）流場數值模擬、結構靜力學和動力學有限元分析、計算機輔助設計（CAD）三維建模等服務，開發和銷售多通道壓力傳感器、流體實驗與教學儀器等產品。公司業務主要涉及航空航天飛行器氣動設計與分析、風力機葉片氣動設計與分析、汽車空氣動力特性分析、船舶水動力學特性分析、建筑風工程、電子產品散熱分析、工業管道流量與壓力分析、閥門特性分析、流量測量儀表設計與特性分析。
南京納飛特流體有限公司（NAFEAT),歡迎您！
http://www.nafeat.com/index.asp
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納飛特提供七孔探針五孔探針皮托管流速測量儀器
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展開 七孔探針（五孔探針）三維自動測速系統、CFD 、FEA等
南京納飛特流體技術有限公司提供七孔探針（五孔探針）三維自動測速系統、計算流體力學（CFD）流場數值模擬、結構靜力學和動力學有限元分析（FEA）、空氣動力學相關產品設計咨詢等服務，定制各種壓力/溫度傳感器、流體實驗與教學儀器等產品。公司業務主要涉及航空航天飛行器氣動設計與分析、風力機葉片氣動設計與分析、汽車空氣動力特性分析、船舶水動力學特性分析、建筑風工程、電子產品散熱分析、工業管道流量與壓力分析、閥門特性分析、流量測量儀表設計與特性分析。
如您需要專業的產品及咨詢服務，請與我們聯系，電話：15305152461，025-82263110，郵箱：nafeat@126.com
展開 七孔探針，五孔探針，CFD流場數值模擬，FEA咨詢服務
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展開 免費飛機設計：MAV微型飛行器研究進展與總體設計
免費飛機設計：MAV微型飛行器研究進展與總體設計.pdf
