飛機CFD的案例
基于CFD理論的戰(zhàn)略大飛機的氣動特性數(shù)值模擬
基于CFD理論的戰(zhàn)略大飛機的氣動特性數(shù)值模擬[J].兵工自動化，2021, 40(03):43-47,53.
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引言
為對概念設計戰(zhàn)略大飛機且加裝預警雷達天線的氣動特性進行對比，采用CATIA軟件，設計一種戰(zhàn)略大飛機的3D幾何模型?；谟嬎懔黧w力學(computational fluid dynamics，CFD)技術，空氣流場的湍流模型采用標準的k-ε方程，流體力學控制理論則采用3維N-S方程。經(jīng)Fluent軟件數(shù)值模擬，得出戰(zhàn)略大飛機的壓力系數(shù)云圖、速度等值面圖和升阻特性，并計算在平飛時飛機的質量和需用推力。結果表明，該研究能對大飛機總體設計提供參考依據(jù)和技術支撐。
戰(zhàn)略大飛機是一種多用途飛行器的支撐平臺，有民用、軍用和航天等多種發(fā)展方向。目前主要的戰(zhàn)略大飛機有：俄羅斯的“伊爾-76”，烏克蘭的“安-124”和“安-225”，美國的“C-17” “C-5”“波音-747”和“波音-777”等，歐洲的“A-380”。中國對戰(zhàn)略大飛機的研發(fā)也非常重視。
計算流體力學是流體力學、數(shù)值分析和計算機科學結合的產物?；?em>CFD技術研究飛機的氣動特性，國內外學者已取得了豐富的學術成果。
展開 CFD數(shù)值模擬技術在飛機設計中的應用
CFD在飛機外流模擬中的功能主要體現(xiàn)在：
(1) 可以在一定范圍內較準確地預測氣動力參數(shù)，代替部分風洞實驗；
(2) 可以與很多優(yōu)化算法相結合，對氣動外形進行優(yōu)化設計。
CFD在面向工程應用方面目前仍然存在一些急需解決的問題。
(1) 首先是復雜外形飛機的網(wǎng)格生成問題?，F(xiàn)在得到CFD學界公認的一個事實是：一個復雜外形飛機流場的數(shù)值模擬工作，網(wǎng)格生成需要的時間占整個工作的70%；
(2)高精度高分辨率的數(shù)值格式，現(xiàn)代飛機的外形極其復雜，流場中一般會存在激波、旋渦與分離、激波與附面層干擾等復雜流動現(xiàn)象。要想準確預測飛機的氣動力參數(shù)，數(shù)值格式必須有準確捕捉這些復雜流動現(xiàn)象的能力；
(3) 湍流數(shù)值模擬；
(4) 計算效率問題。
既然認識到，飛機外流場模擬中的主要工作量集中在復雜模型的網(wǎng)格生成上，作為一個簡單的例子，下面，將采用star-ccm+這一工具來實現(xiàn)一個飛機模型的網(wǎng)格劃分及計算，當然，在這里，并不打算對計算細節(jié)進行討論，僅僅起到一個拋磚引玉的作用，以引起大家對CFD數(shù)值模擬在飛機方面應用的興趣。
展開 CFD學習：飛機地面空氣動力學簡介
Cadence 可以幫助您發(fā)現(xiàn)飛機在距地面不同距離處的地面空氣動力效應。借助 Cadence 的 CFD 軟件套件，您可以模擬地面空氣動力效應下的 3D 流體流動。
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文章來源：cadence博客
案例分享 | 利用CFD Cradle分析航天飛機凹面的可行性
Lakireddy Bali Reddy College of Engineering (LBRCE) 使用 CFD Cradle 軟件的scFLOW模塊，探索航天飛機再入飛行器的凹度對流動物理現(xiàn)象和熱分布模式的影響，LBRCE航空航天工程系成立于2011年，發(fā)表了多篇研究論文并參與了多項研究活動，還配備了多個先進的實驗室，擁有獨立的空氣動力學和飛機結構研究小組，以及多項研究出版物。
挑戰(zhàn)
LBRCE航空航天工程系正在開展一個設計可重復使用航天器的項目。
在任何可重復使用的航天器的設計中，成功的一個重要因素是航天器在多次再入條件下的生存能力。
為了實現(xiàn)這一目標，研究團隊熱衷于探索具有不同凹凸度的再入飛行器的凹度如何改變流動物理現(xiàn)象和熱分布模式。
一般來說，幾乎所有可重復使用的航天飛機的重返大氣層都類似于一個大迎風面的平板，因
為它的迎風面是平坦的。
為了解決這個問題，團隊使用了完整的三維 Navier-Stokes 方程。在這種方法中，方程在一個薄凹板上以不同的攻角對高超聲速流動進行求解。將不同偏心板的峰值溫度和阻力系數(shù)與垂直于流動的平板的峰值溫度和阻力系數(shù)進行比較?？諝獗患俣闊嵬耆珰怏w。將不同偏心度的凹板的總傳熱率和峰值熱通量與平板進行了比較。
航空航天工程系在此研究應用中使用了商用的分析工具。
然而，軟件處理這種高速流動物理的能力是有限的。
對于高速可壓縮流，面臨求解器的高度不穩(wěn)定性的問題。
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案例分享 | 利用CFD Cradle分析航天飛機凹面的可行性
Lakireddy Bali Reddy College of Engineering (LBRCE) 使用 CFD Cradle 軟件的scFLOW模塊，探索航天飛機再入飛行器的凹度對流動物理現(xiàn)象和熱分布模式的影響，LBRCE航空航天工程系成立于2011年，發(fā)表了多篇研究論文并參與了多項研究活動，還配備了多個先進的實驗室，擁有獨立的空氣動力學和飛機結構研究小組，以及多項研究出版物。
挑戰(zhàn)
LBRCE航空航天工程系正在開展一個設計可重復使用航天器的項目。
在任何可重復使用的航天器的設計中，成功的一個重要因素是航天器在多次再入條件下的生存能力。
為了實現(xiàn)這一目標，研究團隊熱衷于探索具有不同凹凸度的再入飛行器的凹度如何改變流動物理現(xiàn)象和熱分布模式。
一般來說，幾乎所有可重復使用的航天飛機的重返大氣層都類似于一個大迎風面的平板，因
為它的迎風面是平坦的。
為了解決這個問題，團隊使用了完整的三維 Navier-Stokes 方程。在這種方法中，方程在一個薄凹板上以不同的攻角對高超聲速流動進行求解。將不同偏心板的峰值溫度和阻力系數(shù)與垂直于流動的平板的峰值溫度和阻力系數(shù)進行比較?？諝獗患俣闊嵬耆珰怏w。將不同偏心度的凹板的總傳熱率和峰值熱通量與平板進行了比較。
航空航天工程系在此研究應用中使用了商用的分析工具。
然而，軟件處理這種高速流動物理的能力是有限的。
對于高速可壓縮流，面臨求解器的高度不穩(wěn)定性的問題。
展開 CFD應用：低亞音速飛機起落架流場計算
有興趣的朋友可以掃描下方二維碼關注公眾號，會不定期發(fā)送免費案例及CFD行業(yè)資訊、行業(yè)大咖訪談錄等。謝謝大家，感謝技術鄰平臺。
項目背景：在飛機著陸實際測試時，由于硬著陸或不適當?shù)闹懠夹g，導致輪胎（由于空氣或陸地撞擊）以及減震支柱產生較高應力，導致它們更快磨損甚至斷裂，很有可能損壞飛機，要使飛行軌跡與著陸路徑一致并且穩(wěn)定地減速需要飛行員具有一定的天賦及經(jīng)驗。該項目的研究結果有助于我們模擬和研究不同的飛機起落架周圍氣流對飛機運動的影響。
圖一：飛機起落架簡化模型
1.網(wǎng)格生成
本次計算所采用OpenFoam中Snappy-Hex-Mesh對域進行網(wǎng)格劃分，起落架處邊界層第一層厚度0.0001mm，膨脹率1.2，層數(shù)10，生成的網(wǎng)格包含大約560萬個單元（如圖2所示）。
圖二：飛機起落架網(wǎng)格劃分
2.OpenFoam邊界條件設置
自由流的流速（Air）設定為35m / s，速度設置逐漸從低值增加到自由流值以更快地收斂。
展開 超音速飛機推進系統(tǒng)優(yōu)化——擴壓器的CFD仿真分析
總的來說，仿真結果與實驗結果相當一致，這表明 CFD 模塊可以精確地求解高速湍流，包括超音速流動和激波。利用這一功能，工程技術人員可以優(yōu)化跨音速擴壓器的設計，并增強超音速飛機的推進系統(tǒng)。
來源：COMSOL
用 Fluent 進行飛機模擬 ￥10
機的最大速度超過音速的兩倍（2.04 馬赫），飛機可以飛到 60,000 英尺（超過 11 英里的高度）的高度，并且可以最多可搭載 100 名乘客。它涂有特殊的白色，以適應溫度變化并散發(fā)超音速飛行產生的熱量。這項工作展示了使用 ANSYS Fluent 執(zhí)行飛機 CFD 仿真。 Fluent 模擬結果文件也可供下載。
電動飛機制造商Pipistrel是如何節(jié)約成本的？
上篇我們說到大型飛機公司“空中客車”利用HPC在優(yōu)化聲學襯墊和減輕飛機體重上面的成功應用，這篇我們將分享一家規(guī)模較小的輕型飛機制造商Pipistrel，是如何利用云HPC來完成飛機設計生產制造的。
Pipistrel是一家來自斯洛文尼亞的飛機制造商，專門生產輕型飛機。
在1995年攜作品“Pipistrel Sinus”參加Aero Friedrichshafen歐洲通用航空展后，Sinus的簡約結構設計和高燃料效率為人稱道。
在2007-2008年贏得NASA挑戰(zhàn)賽，以及在2011年的一次綠色飛行挑戰(zhàn)賽中利用第一架電動四座飛機Taurus G4一舉成名。
Taurus G4電動四座飛機
這一切的功勞，遠遠離不開CAD和CFD技術的支持。以主張“輕便環(huán)?！背龅赖腜ipistrel飛機設計，最核心的技術之一便是飛機外流場CFD設計。
這同時也是所有飛機設計中研究最多的方向之一。制造商常用的兩種辦法有物理的風洞測試，第二種是使用計算流體動力學（CFD）模擬計算機中的空氣流動。
Panthera飛機的外流場
這兩種方法都有利有弊，大部分的航空公司一般是選擇模擬仿真為主，風洞測試為輔。因為從成本和時間的角度來看，風洞測試要昂貴得多，因此只在必要的時候使用。
而對于Pipistrel來說，在新飛機的設計階段幾乎不可能使用風洞試驗，因為這種試驗太昂貴了。為了避免風洞試驗并能夠完成研發(fā)，設計團隊決定部署能夠精確模擬真實氣流的空氣動力學模型。這些模型需要大量的計算周期和內存，因此使用HPC超算資源上執(zhí)行模擬仿真是最好的選擇。
HPC超算資源讓Pipistrel的飛機設計仿佛在物理現(xiàn)實中進行，并能夠獲取有關飛機在飛行中所表現(xiàn)的準確信息。
展開 Lufthansa Technik采用Ansys進行AeroSHARK技術開發(fā)和認證，推動航空業(yè)的可持續(xù)發(fā)展
由于能夠仿真整架飛機（包括飛行行為），并使用創(chuàng)新的湍流建模功能驗證肋條效應，Lufthansa Technik既降低了物理飛行測試的風險，也大幅縮短了認證時間。
Lufthansa Technik利用Ansys CFX創(chuàng)建了波音777-300ER的CFD模型，包括逼真的機翼形狀。這有助于確定作用在飛機上的壓力分布以及相應的力和力矩
AeroSHARK已獲得歐盟航空安全局（EASA）和美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）的認證，可用于兩種波音777機型，目前分別由瑞士國際航空公司（SWISS）和漢莎貨運航空（Lufthansa Cargo）公司負責運營。一旦Lufthansa Cargo的11架波音777F和SWISS的12架777-300ER飛機全部接受AeroSHARK改裝，Lufthansa Group每年將減少超過25,000噸的碳足跡。
Lufthansa Technik負責飛機性能、CFD和飛行測試的高級工程師Stefan Kuntzagk表示：“AeroSHARK可以極大地促進航空運輸?shù)目沙掷m(xù)發(fā)展。通過Ansys仿真解決方案，我們能夠以準確可靠、穩(wěn)健而且高計算效率的方式對飛機和空氣動力學行為進行建模，增強和擴展我們的鯊魚仿生技術，從而使整個子機隊更加環(huán)保，降低燃油消耗，并減少商用飛機的二氧化碳排放?！?目前，由于仿真驅動測試大獲成功，飛機的40%已經(jīng)可以被AeroSHARK覆蓋，并計劃將覆蓋范圍擴展到飛機的其他區(qū)域。
展開 CFD學習：浸沒邊界法
從浸入邊界法中獲得的寶貴見解可用于改善流固耦合，并通過優(yōu)化飛機設計來改善空氣動力學性能。
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文章來源：cadence博客
