从CFD视角看板球：大涡流模拟揭示投球手的欺骗技巧

这篇综述是关于航空航天计算流体动力学（CFD）技术的综述，由Mori Mani和Andrew J. Dorgan撰写。在过去几十年中，计算流体动力学（CFD）在航空航天工业中被越来越多地用于新飞机和衍生机型的设计和研究。在这篇综述中，作者调查了CFD应用流程并指出了它在工业日常工作中的位置和重要性。此外，讨论了几何形状的核心地位以及湍流模型、高阶数值算法、基于输出的网格适应和数值设计优化的重要性。在每个领域都指出了挑战，并提出了具体的建议。综述最后展望了一个未来，其中通过分析进行认证和基于模型的设计成为标准实践，并提醒了引领行业走向那里所必需的步骤。 1 一、CFD在航空航天工业中的重要性 讨论了CFD在飞机设计和分析中的关键作用，如减少设计返工、确保飞机满足目标和安全标准。举例说明了波音777和787飞机如何从CFD技术中受益，以及CFD如何成为风洞测试的补充工具，如下： 1-波音777飞机设计初期应用CFD：波音777是波音公司第一款从设计初期就开始应用CFD技术的飞机。由于没有传统设计的约束，777的设计充分利用了CFD技术，特别是在多点逆优化方面，以定义详细的表面压力并达到理想的配置。 翼身整流设计：CFD技术帮助设计了翼身整流、后体形状和环境控制系统进气口和排气口，这些设计对于提高飞机性能和降低阻力至关重要。减少风洞测试：通过在数字环境中进行优化和初步特征化，CFD技术减少了对风洞测试的需求，从而节省了时间和成本。 2-波音787飞机广泛应用CFD技术：到了波音787的设计阶段，CFD技术已经足够成熟，可以应用于飞机设计的更广泛领域。下图突出显示了CFD对波音787设计的贡献，包括机舱噪声、进气道设计、区域噪声、稳定性和控制设计等多个方面。 多学科优化：CFD技术的应用不仅限于单一领域，而是跨越多个学科，为飞机设计的各个方面提供了优化方案。 3-CFD作为风洞测试的补充工具预测飞行动力学：CFD和风洞测试都旨在准确模拟航空航天器的飞行动力学。CFD可以快速从几何形状预测力和力矩，而风洞测试则需要较长时间来设计和制造风洞模型。 互补方法：尽管CFD在某些情况下可以与风洞测试相媲美，但两者在可预见的未来都不会被对方取代。风洞测试不受网格分辨率和物理建模潜在不足的影响，但它在直接预测飞行方面存在局限性，例如无法提供全飞行雷诺数的数据。校正风洞数据：风洞测试中，由于模型可能需要安装支撑/安装系统，可能会扭曲几何形状，或者由于支撑系统的干扰而破坏几何形状上的气流。风洞测试部分墙壁的存在导致与飞行中无 界域不同的流场。今天，这些效应的校正部分或全部使用CFD生成，进一步说明了这两种技术所扮演的互补角色。数字设计与模型基础工程：CFD技术的发展使得数字设计成为可能，减少了风洞测试活动，节省了项目级的时间表和成本。现在，项目团队带着意图去风洞验证整个配置，而这个配置首先是数字化设计的，然后通过CFD进行优化和初步特征化。 2二、下一代CFD技术 01验证和确认（V&V） 强调了CFD工具的验证和确认（Verification and Validation，V&V）过程对于确保工具可靠性和有效性的重要性。Verification验证是指确认数值算法是否按预期实现的过程，包括代码审查和基准测试，以确保CFD模型的实现正确无误。Validation确认则关注模型是否能准确复 制现实世界的观测，涉及将CFD预测与风洞和飞行测试数据进行比较，以及评估不同网格分辨率对预测的影响。现代V&V过程更加注重数据的不确定性评估，包括实验数据和CFD预测的不确定性。文献提到，为了使CFD数据能够替代其他数据源，必须在真实配置上进行V&V演示，而不仅仅是在标准案例上。此外，高质量的多学科验证数据对于实现基于分析的认证（CbA）至关重要。因此，V&V不仅是CFD技术发展的关键步骤，也是实现CbA和提高CFD在设计、分析和认证中应用信心的基础。 对于确保CFD工具的可靠性，工业界采取了以下措施：严格的V&V流程、过程自动化、模块化流程、文档化和持续的投资和研究。 02几何挑战探讨在CFD模拟中几何输入对于模拟结果准确性的根本性影响，强调了几何输入是影响CFD模拟的最基本因素之一，并指出在处理具有复杂几何形状的航空航天器时，如何准确表示和处理这些几何形状是一个重大挑战，因为这不仅关系到网格生成的复杂性和计算效率，还直接影响到模拟结果的可靠性和精确度。 03网格适应性讨论了网格适应性技术的进步，这种技术通过根据流场的特征动态调整网格密度，优化了计算资源的分配，从而在保持计算效率的同时提高了CFD解决方案的准 确性。通过自动细化网格以捕捉流场中的关键特征，如激波、边界层和流离区，网格适应性技术使得CFD模拟能够更精确地预测流动特性，尤其是在复杂流动和几何形状的情况下，这对于航空航天设计和分析至关重要。 04离散化探讨了有限体积法因其在保守性质和处理离散化方程方面的优势而在航空航天工业CFD应用中的主导地位，并讨论了向更高阶精度算法发展的可能性，这些高阶算法旨在通过更精确的插值和积分方法，在保持或提高计算效率的同时减少网格数量，从而提高CFD模拟的准确性和效率，尽管实现这些优势还面临着包括网格生成、鲁棒性、内存使用和激波捕捉等方面的挑战。 05湍流模型深入讨论了在CFD模拟中处理湍流效应的多种方法，特别关注了雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型和混合RANS/大涡模拟（LES）模型，稳态和瞬态仿真。RANS模型因其在工业中的应用广泛而被广泛探讨，尤其是在处理附着流和小分离流时的有效性，同时也指出了其在处理大分离流时的局限性。此外，文献还探讨了混合RANS/LES模型，这种模型结合了RANS模型的效率和LES模型对大尺度湍流结构的捕捉能力，尽管这些混合模型在处理近壁区域和网格分辨率方面仍存在挑战。这些讨论突出了在航空航天领域中对湍流模型进行持续研究和改进的重要性。 3三、挑战和展望 CFD技术已成为航空航天工业中不可或缺的成熟技术，它在飞机的数字化设计和模型基础工程中发挥着关键作用。尽管CFD取得了显著成就，但仍面临诸多挑战，包括验证和确认（V&V）的持续需求、网格适应性技术的发展、离散化方法的改进以及湍流模型的精确性提升。作者呼吁对这些领域进行持续投资和研究，以确保CFD工具的可靠性，并预测随着高性能计算（HPC）资源的进步，CFD将在设计和认证过程中发挥更加革命性的作用。同时，指出了在数据网格生成、后处理、数据分析和存档方面的潜在瓶颈，需要与HPC资源的提升相匹配的进步。 来源：CFD饭圈