任慶祝 王源博 國洪梅 徐璐

摘 要：該文簡要地探討了當(dāng)前CFD方法在工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究中的應(yīng)用歷程，特別是對基于雷諾平均Navier-Stokes方程的求解粘性流動的CFD方法進(jìn)行了梳理分析，并通過與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果（測力風(fēng)洞試驗(yàn)中模型測得的升力系數(shù)和阻力系數(shù)結(jié)果）進(jìn)行對比，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性和可靠性，表明CFD計(jì)算方法已經(jīng)可以獲得較為滿意的氣動預(yù)估結(jié)果，最后采用該方法對某型飛機(jī)表面天線罩外形進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，為風(fēng)洞試驗(yàn)方案選型提供指導(dǎo)和借鑒作用，極大地提升了設(shè)計(jì)工作效率，同時降低了研制成本和研制風(fēng)險(xiǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：NS方程 CFD方法 升阻特性 工程設(shè)計(jì)

中圖分類號：U664.34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（c）-0054-02

隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD-Computational Fluid Dynamics）理論的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步，CFD方法在工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究中的應(yīng)用越來越廣泛，與理論流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)并列為當(dāng)代流體力學(xué)研究的三大分支[1-3]。

從早期的基于無黏線化小擾動位勢方程理論的面元法到采用有限差分法和有限體積法求解的無黏非線化小擾動位勢方程和全速勢方程，到今天普遍采用的求解無黏的歐拉方程和有黏的雷諾平均Navier-Stokes方程（RANS），計(jì)算流體力學(xué)對流場的流動模擬技術(shù)不斷逼近于流動的物理真實(shí)狀態(tài)。目前，采用基于Navier-Stokes方程（以下簡稱NS方程）的CFD技術(shù)已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于工程與科研當(dāng)中，本文對該方法在飛機(jī)天線罩氣動選型中的應(yīng)用進(jìn)行了分析研究。

1 CFD計(jì)算方法

通常采用CFD方法對流體流動進(jìn)行數(shù)值模擬流程如圖1所示。大致可分為以下幾個步驟[4-6]：

建立描述流動狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型（如雷諾平均NS方程），對于模擬粘性流動現(xiàn)象還需選擇合適的湍流模型；

確立計(jì)算域的邊界條件和初始條件；

建立計(jì)算域的計(jì)算網(wǎng)格和網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)；

采用數(shù)值方法離散控制方程并求解；

滿足收斂條件時輸出并顯示計(jì)算結(jié)果。

2 計(jì)算方法驗(yàn)證

由于數(shù)值模擬方法自身的局限性，CFD方法還無法全面取代風(fēng)洞試驗(yàn)等其他研究手段[7]，為了得到準(zhǔn)確度較高、穩(wěn)定可靠的、能應(yīng)用于工程研制中的CFD模擬計(jì)算方法，需對部分重要的模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證（甚至飛行試驗(yàn)驗(yàn)證），本文采用了基于考慮了黏性影響的NS方程來模擬風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ屠@流，并對計(jì)算得到的結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性和可靠性。圖2為某型飛機(jī)全機(jī)升阻特性CFD計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的對比?？梢钥闯?，在較大的迎角和側(cè)滑角范圍內(nèi)兩者比較接近，大迎角或者大側(cè)滑角下的計(jì)算結(jié)果發(fā)展趨勢也與試驗(yàn)結(jié)果的趨勢一致，可滿足工程設(shè)計(jì)的要求。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

針對某飛機(jī)天線布置需求，需加裝整流天線罩，需要對天線罩外形方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文采用CFD方法對天線罩外形四種優(yōu)化方案進(jìn)行了CFD對比計(jì)算分析，各優(yōu)化方案帶來的氣動參數(shù)影響量對比見圖3?？梢钥闯?，在飛機(jī)巡航常用迎角以及一定側(cè)滑角范圍內(nèi)，各優(yōu)化方案相比原方案的全機(jī)阻力系數(shù)均有所下降，同時三通道靜穩(wěn)定性也有不同程度下降，其中方案3產(chǎn)生的阻力系數(shù)下降量最大，方案4的橫航向靜穩(wěn)定性下降量最小，因此可初步選擇方案3、方案4作為下一步的重點(diǎn)研究方案，進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)語

在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用CFD計(jì)算方法可以快速獲得準(zhǔn)確度較高、真實(shí)可信的氣動預(yù)估結(jié)果，在方案設(shè)計(jì)階段需要對多個方案進(jìn)行優(yōu)化選型設(shè)計(jì)時可極大地提高設(shè)計(jì)工作效率，減少風(fēng)洞試驗(yàn)研究等工作量，同時也可以對候選方案的不足和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)估，降低了研制成本和風(fēng)險(xiǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] （美）約翰D.安德森，著，計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M].吳頌平，劉趙淼，譯，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2] Blevins，R.D.Applied Fluid Dynamics Handbook.van Nostrand，1984.

[3] Tinoco E N.An assessment of CFD prediction of drag and other longitudinal characteristics[R].AIAA 2001-2002，2001.