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計(jì)算流體力學(xué) (CFD)是用于計(jì)算飛行器氣動(dòng)加熱的重要工具，本文將初步介紹飛行器氣動(dòng)加熱計(jì)算過(guò)程，后續(xù)可能將學(xué)習(xí) /介紹流體 -固體耦合作用，為可能的工程設(shè)計(jì)提供參考。 本文首先簡(jiǎn) 單介紹他國(guó)學(xué)者發(fā)表在《美陶》上的一篇文章，該文章是通過(guò) CFD 計(jì)算了超高溫陶瓷 ZrB2-SiC 熱防護(hù)系統(tǒng)的熱 - 力設(shè)計(jì)。

MSC解決方案 使用AcuSolve CFD求解器耦合Actran，計(jì)算氣動(dòng)噪聲源及其在遠(yuǎn)場(chǎng)中的傳播。 客戶價(jià)值 -模擬和實(shí)驗(yàn)之間的一致性良好。 -通過(guò)在開發(fā)周期中集成氣動(dòng)聲學(xué)預(yù)測(cè)來(lái)降低開發(fā)成本。

附： 機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用計(jì)算之壓桿穩(wěn)定性計(jì)算空氣耗氣量計(jì)算：式中： Qn一一自由空氣消耗量（自由空氣，即標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的空氣），L/min；Aa一一活塞A端面積（無(wú)桿端），mm^2；Ab一一活塞B端面積（有桿端），mm^2；L一一氣缸行程，mm；P一一工作壓力，MPa；n一一每分鐘動(dòng)作次數(shù)，次/min。

本次模擬對(duì)象為某鋼廠二棒線及二高線加熱爐管道及除塵器，共2套系統(tǒng)：1）煤煙脫硫除塵系統(tǒng)；2）空煙脫硫除塵系統(tǒng)；煤煙系統(tǒng)中二棒加熱爐煤煙及2臺(tái)高線加熱爐煤煙共3路煙氣混合后進(jìn)入SDS脫硫除塵裝置，經(jīng)脫硫除塵后通過(guò)引風(fēng)機(jī)排放；空煙系統(tǒng)中二棒加熱爐空煙及2臺(tái)高線加熱爐空煙共3路煙氣混合后進(jìn)入SDS脫硫除塵裝置，經(jīng)脫硫除塵后通過(guò)引風(fēng)機(jī)排放。

二 計(jì)算流程 大多數(shù)情況下，翼型的氣動(dòng)性能計(jì)算采用二維網(wǎng)格模型。二維網(wǎng)格能夠滿足計(jì)算的需求，同時(shí)又不至于消耗過(guò)多的計(jì)算資源，一定程度上提高計(jì)算的效率。

本案例對(duì)圓柱繞流的氣動(dòng)噪聲展開了仿真計(jì)算。主要涉及到二維模型LES大渦模擬的開啟、FW-H模型的使用。計(jì)算模型簡(jiǎn)單，為氣動(dòng)噪聲常用的驗(yàn)證模型。通過(guò)對(duì)該案例的學(xué)習(xí)，后續(xù)可以通過(guò)該方法對(duì)各類航空航天、船舶等領(lǐng)域的氣動(dòng)噪聲展開預(yù)報(bào)。

“氣動(dòng)加熱”，簡(jiǎn)單解釋是固體在氣體中高速運(yùn)動(dòng)壓縮氣體后被加熱。說(shuō)到氣動(dòng)加熱，先看看這個(gè)，熟悉嗎？初中物理的空氣壓縮引火試驗(yàn)。封閉空間，內(nèi)部就是常規(guī)的空氣，向內(nèi)移動(dòng)活塞，壓縮空氣，對(duì)其做功，空氣內(nèi)能增加，溫度升高，棉花被點(diǎn)燃。總結(jié)一下，就是壓縮氣體會(huì)使其溫度升高。但你可能會(huì)想，這和氣動(dòng)加熱有什么關(guān)系啊？氣動(dòng)加熱是高速物體在敞開空間中運(yùn)動(dòng)，而這是低速活塞壓縮密閉空間。

就其閥門本身來(lái)說(shuō)，一般都是比較可靠的，但是這些閥門附件的失效概率較高，也就是說(shuō)我們用于現(xiàn)場(chǎng)緊急切斷的閥門，其失效概率大部分是由氣動(dòng)元件導(dǎo)致的，而我們查到的失效概率只是閥門的，生搬硬套用這個(gè)數(shù)據(jù)去做SIL驗(yàn)算是不符合實(shí)際的。把所有的氣動(dòng)元件失效概率一起算不就可以了嗎？當(dāng)然可以，但是氣路組合千變?nèi)f化，這個(gè)計(jì)算過(guò)程超復(fù)雜。

在氣動(dòng)噪聲計(jì)算過(guò)程中所有相鄰的 CFD 單元的結(jié)果都能映射到聲學(xué)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，如下圖所示；這種方法不需要對(duì)聲源區(qū)域的聲學(xué)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化就能保證計(jì)算非常準(zhǔn)確，因?yàn)樗褂昧?CFD 網(wǎng)格中包含的所有信息。氣動(dòng)聲源被映射到聲學(xué)網(wǎng)格上，就可以運(yùn)行 Actran 計(jì)算。

表2 機(jī)翼幾何參數(shù)Table 2 Geometry parameters of wing采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法來(lái)計(jì)算機(jī)翼的氣動(dòng)性能，并對(duì)機(jī)翼升阻比L/D 與迎角α 進(jìn)行非線性回歸分析。高超聲速機(jī)翼在迎角5° ≤α ≤14°范圍內(nèi)的氣動(dòng)性能數(shù)值計(jì)算結(jié)果見表3。其中，F(xiàn)L、FD分別為高超聲機(jī)翼的升力和阻力。

對(duì) FBD 系列，額定功率 55kW 的礦用軸流式通風(fēng)機(jī)葉輪的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行數(shù)值分析，采用大渦模擬(LES)和 Fw—H 聲學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。得到FBD型礦用軸流式通風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域各噪聲計(jì)算點(diǎn)的頻譜圖。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)一級(jí)葉輪的氣動(dòng)噪聲主要由因葉片周期轉(zhuǎn)動(dòng)引起的旋轉(zhuǎn)噪聲組成，在二級(jí)葉輪處由于紊流絮亂導(dǎo)致渦流噪聲明顯從而使得二級(jí)葉輪的氣動(dòng)噪聲主要由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲組成。

計(jì)算流體力學(xué)是流體力學(xué)、數(shù)值分析和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物。基于CFD技術(shù)研究飛機(jī)的氣動(dòng)特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已取得了豐富的學(xué)術(shù)成果。

FW-H模型適用范圍廣：FW-H模型能夠預(yù)測(cè)由單極子、偶極子和四極子等等效聲源所產(chǎn)生的聲音，這些聲源廣泛存在于各種氣動(dòng)噪聲問(wèn)題中。計(jì)算精度高：通過(guò)求解FW-H方程，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出指定接收位置的聲壓或聲信號(hào)的時(shí)間歷程，從而得到噪聲的頻譜特性和聲壓分布等關(guān)鍵信息。

Fluent Aero對(duì)于飛行器外氣動(dòng)的設(shè)置感覺(jué)還是比較便捷的，尤其是可以根據(jù)不同的飛行高度自動(dòng)計(jì)算環(huán)境壓力和溫度。比Fluent經(jīng)典模式提供了很多飛行器外氣動(dòng)專有結(jié)果分析和不同DP的比較。不過(guò)前處理方面要依賴Fluent Meshing，而且仍然是基于傳統(tǒng)有限體積法的外氣動(dòng)分析。一般應(yīng)對(duì)復(fù)雜大模型的外氣動(dòng)分析，如果有條件，最合適的選擇可能還是LBM方法。

將LBM方法與GPU高性能并行加速計(jì)算結(jié)合，將計(jì)算消耗的時(shí)間由原來(lái)的數(shù)周縮短為幾十個(gè)小時(shí)，使得風(fēng)扇的氣動(dòng)噪聲仿真不再是一個(gè)難題。

，并與成熟的商用CFD軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比，流場(chǎng)結(jié)果分布基本一致，氣動(dòng)阻力的相對(duì)偏差小于3%，計(jì)算精度高。

基于 CFD 的氣動(dòng)彈性顫振分析包括對(duì)流體-結(jié)構(gòu)相互作用進(jìn)行建模，以研究飛機(jī)在受到來(lái)自周圍氣流的空氣動(dòng)力載荷時(shí)的響應(yīng)。 飛機(jī)性能的計(jì)算分析 模擬飛機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)彈性顫振分析 使用 CFD 進(jìn)行氣動(dòng)彈性顫振分析的過(guò)程包括合并流體流動(dòng)和結(jié)構(gòu)模型以計(jì)算氣動(dòng)載荷和相關(guān)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形。流體模型使用Navier-Stokes 方程模擬定義的流動(dòng)條件下的流場(chǎng)，并計(jì)算結(jié)構(gòu)周圍的作用力。