CFD技术发展及其在航空领域中的应用进展.docx

CFD技术发展及其在航空领域中的应用进展近半个世纪以来，人类从长途飞行旅行成为现实到遨游太空的伟大理想得以实现，CFD一直发挥着特别的作用，让我们一起来回顾那些历史上闪光的时刻。1903年当莱特兄弟驾驶自行研制的飞行者一号，成功实现首次重于空气的航空器持续而且受控的动力飞行以来，伊卡洛斯的神话便成为了现实。四十多年后，电子计算机问世，为数值模拟和计算的实现打下基础，1963年美国学者F.H.哈洛和J.E.弗罗姆用当时的IBM7090计算机,成功地解决了二维长方形柱体的绕流问题并给出尾流涡街的形成和演变过程，两年后，哈洛和弗罗姆发表“流体动力学的计算机实验”一文，对计算机在流体力学中的巨大作用作了引人注目的介绍，一门新的技术应运而生。CFD技术从创立之初，航空航天领域就是其主要的应用方向之一。航天航空与CFD技术的结合使得前者如虎添翼，而后者也是迅速发展成果斐然。01从20世纪70年代开始，CFD在航空航天领域的进步和发展1970年代的CFD从20世纪70年代起，美国航空航天局就着手开发可用于准确预测流体流动的复杂尖端的电脑代码，用于诸如机翼绕流或航天飞机主引擎燃料流的预测。而那些业已发展成为计算流体力学（CFD）的理念和代码，如今被视为从事CFD研究和新型飞机开发的重要工具。我们必须得提到AntonyJameson于1974年开发的用于3-D扫掠机翼设计的FLO22代码（1970年开始开发其初始版本1-21）,它是CFD的应用发展于的一个伟大里程碑。FLO22从根本上改变了多个组织的机翼设计，并且由于其准确性和相对较快的计算速度，至今仍在使用。这同时也说明当时的人们已经意识到：计算流体力学可大幅度减少几乎任何机种在设计和测试上所需要的时间和费用。1980年代的CFD上个世纪80年代是CFD的萌芽，近十年的基础发展为后面CFD的大放异彩奠定坚实基础，政府实验室，学术界和工业界乃至整个航空航天业都在CFD软件开发中（主要是内部开发工作）发挥了重要的作用。这篇发表于1986年的文章ApplicationsofComputationalFluidDynamicsinAeronautics,AGARDConferenceProceedings中有大量例来证实那一阶段CFD的发展状况。而当时的计算流体力学方法主要是基于结构化的六面体网格，同时已经高度重视交付飞机性能数据。这些早期的工具还发现了使CFD成为实用工具的一些障碍：复杂的几何形状，过多的网格划分时间以及图形诅咒，后者让CFD获得了一个具有贬义的昵称“多彩的流体动力学:值得一提的是1980年代中期在NASAAmes研究中心成立了NASA高级超级计算（NAS）部门（最初是数值空气动力学模拟），证明了CFD技术的巨大潜力，NAS作为CFD开发的领导中心也在同时名声鹊起。1990年代的CFD时间的坐标轴拨动到了上个世纪九十年代，CFD很大程度上从为政府和学术部门服务过渡到了商业化软件服务，这一现象也延续至今，截止2015年，CFD的商业市场总收入就已超过10亿美元，CFDBreakstheSBiIlionBarrier这篇博客记录了这一数据。Ansys是广泛运用的一款CFD商业软件其实这并不令人感到意外，从政府主导开发到商业化其实是CFD技术发展的必然要求，因为相对于政府资金支持项目的单一化，商业化更能够从多视角全方位的促进CFD技术发展，也能够应对CFD软件不断增长的需求，包括：支持从台式机到超级计算机的计算硬件的详细信息，编写文档以及为成熟代码提供用户支持等方面。需要注意的是：CFD软件在同一时期也开始了从结构化网格到非结构化网格的跋涉。2000年以后的CFDCFD在这一时期更加广为人知，得益于波音和空中客车公司（尤其是波音公司）对其的成功运用。通过应用CFD技术使得风洞测试大大减少（波音公司减少了50%）。现在CFD在最新型号飞机的众多部件上（远不只是用在翼型和机翼上）也已经有了更深入的应用。不过尽管取得了这些成功，但是CFD在新世纪的最初几年停滞不前，它主要还是依赖于1980年代和1990年代开发的技术，这限制了CFD的应用。ComputationalFluidDynamics:Past,Present,andFuture,fromtheconferenceFutureDirectionsinCFDResearch,heldattheNationalInstituteforAerospace一文对此有清楚的记录。当时普遍认为一些流场的类型超出了CFD模拟的能力范围（换句话说，对于这些流场而言，测试至关重要），这其中包括旋翼飞机，高升力系统等等。02CFD在航空航天领域应用的未来聊完历史我们再着眼未来，有两项工作目前为CFD在航空航天领域的发展指明道路。第一件就是：NASA在2014年发布的CFD愿景2030研究，它引起了CFD领域的关注，该研究由美国国家航空航天局（NASA）资助，旨在预测及制定相应策略，以期到2030年实现可以自动执行，控制不确定性，计算速度快并且可以进行跨学科研究的CFD应用。到2030年，CFD的应用将包括在整个飞行包线内进行全机模拟，涡轮风扇发动机的瞬态模拟，先进飞行器的多学科优化以及动力空间通道。JoeStumpe的这篇文章Symbiosis:WhyCFDandwindtunnelsneedeachOther完整阐述了CFD愿景2030研究对工程仿真软件中自动化和可信度的需求。第二件事是：AIAA目前已经建立了一个对所有人开放的兴趣社区，以“认证/鉴定分析''（CQbA）为主题，其特定目标是减少验证飞行测试的成本。在这里，我们看到了计算和飞行测试这两个学科的融合，它们在并行路径上发展了近十年之久。在一定程度上，CQbA可能被视为解决了1915年NACA的第一份年度报告中记录的一个古老目标。该报告将“从设计数据确定飞机稳定性的分析方法的简化形式，而不必进行风洞试验或大型试验''这一目标设定为“紧急重要”级。计算航空航天可能是从机翼开始的，但是它已经演变成一套工具，极大地且不可逆地改变了飞机的设计方式。工具和方法已经足够成熟，并且灌输了足够的信心来减少测试的数量和成本，从而可以更快地将更好的产品推向市场。随着计算工具在未来几十年中不断发展，它们必将以一定的方式补充飞行测试，从而为运营商带来高性能飞行器，并为制造商和设计师带来稳定的业务绩效。03CFD与航空航天相结合面临的问题谈完了未来，我们再来说说CFD应用于航空航天中无法规避一个重要的问题：即计算尤其是数字计算是否有资格与理论和实验一起作为科学的第三分支？还是说计算和飞行测试与理论和风洞测试一起考虑，作为务实的工具，为飞机提供有关其设计意图的方式和原因的定量见解呢？其实从核心数值算法开始，计算仿真的不断发展就面临着众多挑战。最初基于有限差分，逐渐演变为有限体积，如今，人们对有限元技术(在固体力学中占主导地位)产生了浓厚的兴趣。求解器算法已经从中心差分到上风发展到矢通量分裂，现在已经发展到通量差分裂以及Riemann求解器。求解的流体方程的形式变得更加复杂，从势流和无粘的流动演变成薄层Navier-Stokes(NS)方程及抛物线化NS方程再到雷诺平均NS方程，每一步改进仿真的保真度都有提高。湍流建模继续困扰着NS解算器，而SPalart-AlImaraS模型是其巅峰之作。同时，研究者们还继续努力进行湍流的直接模拟，并在大型涡模拟(LES),分离涡模拟(DES)和直接数值模拟(DNS)中进行了大量新研究，以提供无模型的逼真度，从而为在飞机性能范围边界(即分离流)附近的模拟提供高精度的CFD模拟。其实还有很多关于航天航空与与CFD技术发展有关相关问题尚待解决，比如阻力预测，高升力预测，几何和网格生成，音爆预测，激波边界层相互作用，机身噪声和气动弹性等等。当然有问题也预示着机会，相信在未来CFD在航空航天的应用前景会更加广阔，而这种信念必将实现。计算流体力学(COmPUtatiOnaIFlUidDynamics,CFD)自20世纪60年代随计算机技术的不断进步而迅速发展，如今已深入到包括航空、航天、船舶、水利、冶金、建筑、化工等工程领域的各个方面，取得了巨大的成就。航空领域是最早应用和发展CFD技术的领域，在半个多世纪的时间里，航空工程界形成了一套行之有效的CFD技术应用方式，充分合理地利用CFD技术优势，有效缩短了技术研发与型号研制的周期。在当今航空领域迅猛发展的形式下，CFD技术展现出巨大的应用价值和发展潜力。本文旨在综述CFD技术近期的发展情况，并展望未来CFD技术的发展方向，以及介绍CFD技术在航空领域应用的现状。1 CFD技术发展随着CFD技术发展的深入，CFD面临着越来越多的困难。本文从计算格式、网格方法、湍流模拟等方面介绍CFD技术的最新发展况。在CFD领域中，低阶格式由于其鲁棒性和可靠性，被广泛用于工程实际的计算中。尽管低阶格式已在复杂外形的复杂流动数值模拟中取得了巨大成功，但低阶格式具有较大的数值耗散与色散。对于复杂问题，如含有激波、湍流、非线性作用和多尺度问题，必须采用耗散和色散小的高阶格式。高阶格式比低阶格式达到相同精度的效率更高也是其在工程应用中的一大优势。近几年发展较多的高阶格式有：有限差分高阶格式、间断Galerkin有限元法、EN0wEN0有限体积法、有限谱差分法、有限谱体积法睁、混合DGZFv方法。其中，间断Galerkin有限元法和相应的混合方法由于其优越性，成为高阶格式研究的热点。最近提出的通量重构法(FIUXReconstruction,FR)或CPR法(CorreetionPmcedureUsingReconstmction,CPR)将这些高阶格式统一在同一个框架之下，引起了研究者的广泛关注。高质量地生成计算网格是CFD计算的前提条件，是影响CFD计算结构最主要的因素之一。网格最大的问题在于人工工作量大，是CFD工作效率的瓶颈问题之一。设法简化网格生成、减少网格生成中的人工工作量、提高网格对复杂外形和运动边界问题的适应性是网格算法设计者的目标。目前在网格方面发展的主要领域包括自动化网格技术、重叠网格口引、笛卡尔网格例与自适应网格加密技术。在自动化网格生成技术方面，还有许多难题没有得到彻底解决，如在多种网格生成算法、自适应网格加密算法、网格生成的并行算法等方面还有待进一步提高。在重叠网格方面，基本网格装配方法必须考虑一些复杂问题，例如针对细薄物体、非封闭外形的挖洞等一些特殊问题；适应多尺度复杂外形的挖洞方法在基本网格装配方法中有待进一步研究；自动网格装配方法相比于基本网格装配方法，具有更好的网格装配效率和更高的自动化程度，更适合用于非定常流动的数值计算。最近发展的笛卡尔网格技术也因笛卡尔网格在CFD计算中的优越性，表现出了较大的研究潜力，特别是切割单元法满足了全局和当地的守恒律，研究的重点将落在构造精确的切割界而处的数值通量算法与解决切割单元的突变所带来的数值振荡问题。自适应网格加密技术通过网格加密，即改变节点数目和单元尺寸来达到提高网格求解精度的目的。主要分为两种基本类型：全局网格加密与局部网格加密。相比于全局网格加密，局部网格加密能在不增加太多计算量的前提下提高求解精度，因而被广泛应用于求解复杂外形、化学反应流动、高速流动等复杂问题的求解中。目前，研究主要集中于解决自适应网格中两个关键的问题：确定自适应网格加密的位置和确定网格加密算法。在湍流模拟方面，大涡模拟(LES)以其在湍流模拟中在兼顾计算量同时精度上的优势受到了业内学者的大量研究，其技术也在逐渐走向成熟。近期LES的研究很多是集中在提高LEs在具体的工程领域，如：模拟超声速燃烧、气动噪声、考虑热辐射等领域的应用性能方面。此外，尽管LES相比直接数值模(DNS)能够可观地减少计算量，然而其计算量对于大规模工程应用而言仍偏大，特别是考虑近壁面流动情况下，因此计算量仍是制约LES技术进一步发展应用的难点之一。而为减少LEs的计算量方面发展出的混合RANs/LES方法，近期成为LES研究的一个热点。按照文献中对混合RANs/LES方法分类：RANS与LES的结合具体方式主要有分布式RANs/LEs方法(DiStribUtedRANS-LESMethOd)与耦合的RANs/LES(coupledRANS-LESMethod)o分布式RANS,LES方法又分两种方法，一种是融合RANS-LES方一法(MiXedRANS-LESMethOd),另一种是非融合RANS-LEs方法(Non-mixedRANS-LESMethod)。与融合的RANS/LES方法相比，耦合的RANS/LES方法在当前更为流行，该方法下又主要分两种具体的方法：即界面法(InterfaCemethod)与区域法(SegregatedMethod/zonalMethod)o前者使用同一个速度方程，并在RANS-LES界面上将应力耦合，而后者在RANS区域与LES区域使用不同的速度方程，并将所有的流动参数在过渡区域耦合。CFD技术在应对和解决工程问题的能力上，还存在不足。这些不足都要求未来的CFD技术具备更高的计算效率、精确性和准确性。因而，本文认为CFD技术未来的发展方向主要有：(1)发展高阶格式，在保证效率的同时提高计算的精度；(2)发展网格技术，简化网格生成，减少网格生成中的人工工作量，提高网格对复杂外形和运动边界问题的适应性；(3)在湍流模拟中，提出更为精确的计算模型和物理模型；(4)发展高效的大规模并行计算方法，如基于图形处理器(GPU)的并行计算方法等。2 CFD技术在航空领域应用的现状CFD技术已广泛和深入地应用于航空领域的各个方面，极大推动了航空科学的发展。下面将分别就飞机外形优化、旋翼/直升机、非定常绕流、多体分离和进气道等方面介绍CFD技术在航空领域的应用现状。2.1 行器外形优化随着CFD技术和计算机技术的不断发展，利用CFD进行飞机外形优化的设计方法也从简单逐步走向成熟，主要体现在两个方面：（1）相应的CFD方法经过长期的研究和发展，数值模拟的精确性和准确性逐步得到改善，不仅CFD方法所采用流动控制方程经历了从无粘到有粘、从线性到非线性的发展，适用范围逐渐扩大，而且CFD代码在不断地工程实践中日益完善，大量的实验验证了其可靠性；（2）优化设计方法从早期的试凑法、正交试验法，到如今发展出了基于控制论的优化方法以及搜索式算法等优化算法，优化设计过程中人为的干预减少，得到最优结果的可能性提升。利用CFD进行飞机外形优化设计一般按以下步骤进行：（1）对飞机外形进行参数化，以便选取合适的设计变量；（2）确定需要优化的目标；（3）用一定的优化方法得到外形的修改方向，对外形做出相应改进；（4）迭代上一步骤，直至达到设计要求。CFD在这个过程中为优化方法提供所需的气动学参数。图1Il身触合体优化中激波消失过程近年来以减阻为目的的飞机外形优化方法是研究热点之一，出现了不少基于Euler方程/N-S方程的高可信度CFD模型数值优化设计研究。全机优化方面,Lyu和Martins分别利用Euler方程求解器、RANS方程求解器（S-A湍流模型）和离散伴随变量法实现了翼身融合体飞机（图1）减阻外形优化设计;GagnOn等利用Euler方程求解器结合离散伴随变量法对几种非传统布局：翼身组合体布局、c形翼（c-tip）翼身融合体（BWB）布局、盒式翼（boxWing）布局和支撑翼（StnJt-brace）布局进行了减阻优化设计研究，结论指出支撑翼布局（图1）具有最好的减阻潜力；在翼型减阻优化方面，Poole等利用无粘流（EUIer）求解器，分别采用一种全局搜索算法（引力搜索）和一种梯度算法对两种翼型进行了减阻优化研究，并且在全局搜索算法优化设计中得到了无激波（Shoekfree）结果；Koziel等采用响应面模型，提出了一种结合高、低可信度CFD模型（均为EUler方程求解，但网格粗细程度不同）的多目标优化设计方法，在提升计算效率的同时，实现了跨声速翼型的减阻增升设计；Chen等利用RANS方程求解器（SA湍流模型）和多目标遗传算法，进行了翼型减阻增升的优化设计，提高升力并消除了激波，达到了减阻的目的。2.2 非定常绕流当飞机的绕流出现分离时，流动结构变得非常复杂，流动呈现显著的非定常特性。非定常效应可能导致机翼、前机身以及各操纵舵面的气动力出现明显的非对称和不稳定现象，强烈影响飞机的操稳性能。充分了解分离流动的非定常效应和掌握其规律，有利于实现对流动的有力控制和利用。随着计算机运算能力的提高，以及数值方法，特别是N-S方程求解方法的发展，CFD已成为研究飞机非定常绕流问题的有力工具。图2F-22J形转弯数值模拟（Ma=O.6）近年来,利用非定常N-S方程求解的CFD方法进行绕流非定常模拟的研究,取得了一定进展。LUCkring等综述了F-16XL战斗机气动力的CFD预测研究现状,简要回顾了CAWAP（CrankedArrowWingAerodynamicsPrOjeCt）系列计划在近二十年内取得的研究成果。CAWAP最新的研究利用了非定常RANS（URANS）方法和分离涡模拟（DES）方法，对低速（马赫数0.24）大迎角（200）飞行条件下的全机绕流进行了模拟，显示了绕流的流动结构，获得了比定常方法更好的气动力预测结果。CIiftOn等介绍了F-22战斗机做J形转弯机动时的非定常气动数值模拟研究（图2）o模拟采用了URANS方法，所得到飞机气动力、力矩系数与LOCkheedMartin公司提供的飞行试验和风洞试验数据附合较好。FOrSythe等介绍了F/A-18E战斗机跨声速飞行时的突然机翼失速（AWS）觐象的数值模拟研究。模拟采用了DES方法，研究了若干迎角下（7。-12。）飞机绕流的非定常效应，计算所得的非定常气动力与实验数据符合较好。结论指出机翼前缘锯齿处的激波震荡和激波诱导分离流动，是突然机翼失速的原因。2.3 旋翼值升机设计旋翼的流场和气动性能对直升机的性能、飞行品质、噪声、振动特性具有重要的影响。采用CFD方法准确地计算旋翼的流场和性能是直升机空气动力学的一个重要发展方向。近年来，旋翼的数值模拟方法、优化设计和多学科综合研究,取得了一定进展。在数值模拟方法方面，李春华等基于升力面理论和卷起桨尖涡模型，建立了一个悬停和前飞状态的倾转旋翼自由尾迹分析方法；Crozon等对船体尾迹中的旋翼绕流做了数值模拟研究（图3）,采用了URANS方法和DES方法，并在计算中使用了交接面边界条件，其计算结果与试验符合较好；在优化设计方面，1.eusink等采用RANS方法(k-湍流模型)对旋翼叶片外形进行了优化设计，提升了旋翼的气动性能；在多学科综合研究方面，Marpu等口卅提出了一种耦合CFD和计算结构力学(CSD)的快速预测旋翼受力计算方法，用以研究某型直升机的机动特性；王俊毅等口四基于CFD/CsD耦合方法，对新型桨尖旋翼的气动弹性载荷进行了计算，指出后掠桨尖能有效改善旋翼的气动性能。2.4 多体分离图3旋Il在近船体时的绕流航空领域最具代表性的多体分离问题有：头罩分离、内置弹舱开启过程，飞机座舱盖分离、座舱弹射，外挂物投放等。高速条件下的多体分离流场呈现高度非线性和非定常的特征，多体分离仍存在许多函待解决的难题。CFD技术中的一些网格技术，如重叠网格技术、动网格技术及嵌套网格技术，很适合用来研究多体分离问题。Yang等提出一种自适应重叠笛卡尔/非结构网格结合降阶模型的方法，对多外挂投放进行了数值模拟研究；SiCkleS等引提出一种基于CFD的多体运动系统模拟了外挂连续投放的过程，计算结果与飞行试验数据符合较好；Berglind等对比了时间精确(time-accurate)CFD方法和准定常CFD方法对外挂投放问题的模拟结果，验证了准定常方法的有效性；FinleV等采用重叠网格方法，对副油箱分离进行模拟研究，结果与飞行试验符合较好；陶如意等采用混合网格生成法，开展了时序抛撒子母弹多体干扰气动特性数值模拟研究；李鹏采用动网格方法对子母弹抛撒流场进行了模拟。2.5 进气道进气道是飞行器推进系统的重要部位，其气动性能对发动机的性能有很大影响。近年来，在进气道设计/优化设计、气动问题机理研究、流动控制方法研究等方面，取得了一定进展。在超声速进气道方面，钟易成等根据乘波原理，利用CFD方法完成了一种无隔道进气道(DSl)的设计，研究了其气动特性；Loth等研究了进气道的激波/边界层干扰现象，得出了出现此现象的马赫数范围；Troia等通过数值模拟手段，用被动原件流动控制减弱了激波边界层干扰，实现了进气道无溢流的目标。在亚声速进气道方面，TraPP等利用CFD方法对DLR-F6模型进行数值模拟,研究了飞机近地面时的进口涡(inletvortice)效应;HaU等利用CFD方法对涡扇发动机的进气道进行了优化设计，提升了总压恢复系数；Yi等利用CFD方法，对S型进气道的涡流发生器进行了优化设计，使畸变系数降低80%o3结束语本文综述了计算流体力学(CFD)技术的近期发展情况，及其在航空领域的应用现状。在CFD技术发展方面，本文从计算格式、网格方法、湍流模拟3方面进行了综述，并认为未来CFD应在高阶格式、对复杂外形和运动边界问题适用的网格技术、高效精确的湍流物理模型、大规模并行计算方法等方面着重发展。在CFD技术的应用方面，重点介绍了飞行器外形优化、旋翼/直升机、非定常绕流、多体分离和进气道等重点应用领域的现状，表明如今CFD技术已深入到航空工程的各个环节，为航空领域的迅速发展提供了技术支持和保障。而随着航空领域的快速发展，CFD技术也将迎来更大的机遇和挑战。