CFD技术在航空工程领域的应用、挑战与发展（一）

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了基于Euler方程和Navier-Stokes方程的数值求解器在远程宽体客机、C919客机、高速公务机等气动数值优化设计中的应用，并强调了增升减阻在民用飞行器精细化设计中的重要性。同时，文章还讨论了基于CFD的气动弹性数值模拟在飞行器静、动气动弹性和型架外形设计中的作用，验证了计算方法的正确性，并指出了在动网格技术和颤振边界预测等方面面临的挑战。

计算流体力学(CFD)理论与数值求解方法的不断拓展和革新，使得这一学科在越来越多的领域得到了广泛应用。为之提供强有力支持的高性能计算技术的发展，从更大程度上促进了CFD技术的发展及应用，从数值求解速势方程到求解Euler方程，从Euler方程附面层修正到求解完全雷诺平均Navier-Stokes(RANS) 方程，从求解完全RANS方程到混合RANS/大涡模拟(LES) 方程、LES方程，甚至直接数值模拟(DNS)，这些令人鼓舞的成就，无不归功于计算机水平的飞速进步与CFD理论的革新；在CFD的关键技术上，新型的空间离散格式与先进的湍流模拟方法的提出，大幅度提高了对空间激波、分离、自由剪切层、混合层、各类间断等流场结构的数值模拟精度以及多尺度流动分辨能力。从简单的黏性流场计算到考虑边界层转捩、多相流动、化学反应等，CFD技术带来的增益不仅体现在工程应用上，也为探索流动的演化机理和发现新的流动现象提供了十分有效的手段，更进一步丰富了计算流体动力学的研究内容。

就航空航天工程应用而言，从低速、高速、跨声速、超声速到高超声速，CFD数值技术在不断地拓展其应用范围。在工程应用方面，CFD经历了从平板/翼型到机翼/全机的复杂构型数值模拟，从简单的简谐运动到六自由度多体分离、投放，螺旋桨、直升机滑流，这些无不凝聚着CFD研究人员与工程师们的智慧与付出。从单一流场的数值模拟到气动噪声、考虑结构变形、电磁计算、等离子控制和飞行力学等学科的耦合，CFD技术在气动设计、气动弹性、等离子主动控制、多物理场耦合、数字化飞行、控制律验证等领域发挥着越来越重要的作用。

本文系统回顾了CFD数值模拟技术在航空工程中的应用，分析了CFD与实际工程相结合时面临的挑战，总结了近年来CFD在热门领域应用所取得的研究成果，进一步展望了CFD数值模拟的发展及应用前景。

1 CFD技术在航空工程领域的现状

从20世纪70年代开始，CFD数值模拟技术在航空航天工程应用中崭露头角，随着高性能计算机的发展、CFD相关技术的不断进步以及流体力学理论的不断完善，CFD数值模拟技术开始在该领域中扮演重要角色。20世纪80~90年代，是CFD理论以及应用发展的黄金时代，典型高精度、高分辨率空间离散格式、高效率隐式时间推进方法以及现在仍在大量使用的涡黏性湍流模型，均产生于这个时代，也是在这个时代，高性能计算机取得突飞猛进的发展；伴随网格类型与用法的拓展、延伸，逐步出现了结构化网格、非结构网格、混合型网格、变形网格、重叠/拼接网格技术等，促使CFD技术的应用范围以及解决复杂问题的能力得到进一步拓展。种种因素成就了CFD数值模拟技术今天的重要地位，不仅在航空航天领域，在生物学、医学、航海、电子、风能等领域，CFD数值模拟的魅力同样展现得一览无余。

就航空工程��域而言，CFD的贡献与成就是举世瞩目的，较为完备的流体力学理论在数值计算科学以及大规模并行计算技术的支撑下，几乎渗透到航空工业空气动力学研究与应用的每一个领域，CFD不再仅仅是一个计算平台，而且开始成为飞行器设计过程中不可缺少的工具：

1) 基于CFD技术的气动综合优化设计。随着计算机技术以及CFD技术的飞速进步，现代飞行器气动外形优化设计从“CutandTry”试凑设计理念阶段，革命性地迈入数值优化设计时代，很大程度上提高了气动外形优化设计质量，大幅度缩短了设计周期，大大提高了飞行器气动外形选型设计效率，在大型客机、运输机、战斗机、无人机以及高空长航时侦察机气动设计中发挥了重要作用。不仅气动设计，基于CFD与其他学科耦合的综合优化技术也在航空飞行器设计中得到应用，在气动隐身和气动结构等一体化设计方面发挥了重要作用。

2)飞行器静、动气动弹性数值模拟。流固耦合技术、变形网格技术以及计算固体力学的发展进一步成就了CFD在气动弹性数值计算中的地位，CFD开始向多物理场耦合数值模拟发展，在飞行器型架外形设计、颤振特性分析、颤振边界评估等领域发挥了重要作用，为结构强度/刚度设计、刚心/重心配置提供了有效指导；与经典控制理论、现代控制理论的耦合，进一步为颤振抑制控制律设计提供了十分有效的数值仿真手段，在一定程度上应用于刚性、弹性飞机的阵风减缓研究及应用中，大幅度拓展了现代先进航空飞行器的飞行包线。

3)基于数值模拟的航空气动噪声预测。气动噪声是现代飞机设计必须考虑的重要因素，准确的气动噪声预测是解决飞机气动噪声问题的重要基础。20世纪90年代，随着气动声学理论的进一步完善和CFD取得长足进步的有力支撑，基于数值模拟的气动噪声预测方法获得了空前的发展。经过20多年的持续研究，人们发展了多种不同的基于数值模拟的气动噪声预测方法，这些方法可以归纳为两大类：直接方法和混合方法。混合方法可以在现有的计算条件下实现部分飞机部件的声学优化设计，直接方法可以对降噪设计结果进行验证并进行相关的机理研究。

4)基于CFD数值仿真的数字化飞行与控制律验证。基于Navier-Stokes方程数值求解与变形、重叠网格技术以及六自由度方程耦合，使得飞行器全包线飞行数值仿真开始出现在航空工程应用的舞台上。该项技术初步展示出其独特的魅���，世界���国的飞行器研制部门均投入了科研力量进行数字化仿真研究，并一定程度上应用于实际型号中，相比国外，中国在这方面的研究工作才刚刚起步。

5)多体分离安全边界评估。多体分离数值模拟是航空领域内的一项重要研究内容。在数值模拟具备这种能力之前，这些问题主要依赖于风洞试验以及飞行试验开展研究，成本较高、难度大且存在安全风险。多体分离数值模拟技术的应用大大提高了相关研究的工作效率，大幅度降低了研究成本与风险。在预测物体运动轨迹、安全边界评估方面发挥了重要作用，成功应用于外挂/内埋式机载导弹分离、副油箱抛撒、子母弹抛撒和民机冰块脱落等领域。

2.1 飞行器气动外形综合优化与评估

数值优化设计手段在现代飞行器气动设计中已经开始发挥主导作用，基于CFD数值模拟的气动优化方法主要分为两类，一类是与进化算法结合的非梯度信息优化设计，另一类是基于连续/离散伴随方程的梯度信息优化。从两类优化设计方法应用情况以及算法原理上看，计算资源、数值精度依然是数值优化手段向工程推广应用的两个关键环节，因此，为克服精度与效率之间的矛盾，针对不同阶段设计的需求，需要建立工程设计手段与精细化设计手段。图1~图6给出了基于Euler方程笛卡儿数值求解器的快速设计手段和基于Navier-Stokes方程的精细化设计平台，以及基于进化算法和伴随方法在远程宽体客机、C919客机、高速公务机等气动数值优化设计中的应用；增升减阻是气动设计的一个重要目标，尤其对民用飞行器精细化设计，对气动特性高精度模拟显得尤为重要。图中：Ma为马赫数；Re为雷诺数；CL为升力系数；α为迎角。

2.2 气动弹性计算

基于CFD的气动弹性数值模拟在飞行器静、动气动弹性和型架外形设计中发挥了重要作用。图7和图8为HIRENASD(High Reynolds Number Aero-Structural Dynamics)模型与DLR-F6翼身组合体模型静气动弹性计算及试验数据的对比，结果验证了计算的正确性。图中：η为无量纲化机翼展向位置；Cp为压力系数；CD为阻力系数；TE表示后缘；LE表示前缘；ETW为欧洲跨声速风洞；TRIP为中国空气动力研究与发展中心自主研发的亚跨超数值模拟平台TRLsonicPlatform。

图9给出了静气动弹性数值模拟在飞行器型架外形设计中的应用[37]。图10给出了基于RANS/LES混合算法的典型V型尾翼战斗机垂尾抖振数值模拟，PSD表示功率谱密度，用耦合算法实现垂尾抖振的高精度数值模拟，得到不同状态下垂尾的结构响应特性，与试验测点加速度一致，为结构强度设计提供比试验更为全面的参考数据。在气动弹性计算分析中，动网格技术的鲁棒性与计算效率是关键因素，尤其在大展弦比柔性翼以及动气动弹性计算中，对动网格要求更高；颤振边界的预测对计算资源要求极高，气动力建模技术为工程应用提供了有效途径，可以将计算量降低几个量级，然而，在抖振计算中气动力的强非线性带来的建模困难，是目前提高基于高可信度CFD方法在抖振问题中的计算效率面临的主要障碍。

本文未完待续。

本文转载自航空学报, 2017, 38(3): 020891