捅破这层窗户纸！基于实际工程的飞行器气动设计与仿真分析
8月23日20时（周三），笔者受邀在仿真秀主办的2023飞行器设计仿真技术交流月第四期分享《基于实际工程的飞行器气动设计与仿真》公开课，届时在仿真秀官网和APP同步直播，支持反复回看，详情见后文。
一、讲师介绍
恋恋风歌 高级工程师
二、飞行器的气动布局设计流程的变化
传统的设计模式在明确飞行器指标的前提下，基于工程经验，设计出多种不同形式的气动外形，该外形特征尺寸不脱离实际工程，同时涵盖外形设计约束，利用工程算法进行参数化设计，在确定初步方案可行的基础上，风洞试验介入设计流程。
图1 飞行器气动布局设计流程
复杂外形飞行器为了控制成本，应尽早地掌握产品将具有的性能，意味着需要尽可能早的设计阶段进行高保真度的几何数模和CFD模拟。
图2 高保真设计对设计流程的影响
图3 方案阶段，新型布局与常规布局的PK
为根本解决T-10 的问题，对飞机进行了全面的再设计，完全更新后的T-10S于1981年4月20日作了首飞。
图4 T10-S:苏-27真正的原型机
图5 T10-S:性能的真正提升
结合无边条布局数据，可以得到边条的意义：
（2）无边条箭体不存在平衡迎角时，获得一个大于0°的平衡迎角。
图6 复刻的新格伦火箭外形
图8 复刻星舰超重气动布局
图9 “超重”超音速下气动特性
首先需要确定作用在栅格舵上的载荷，总体布局约束下的外形尺寸往往是给定的。
图10 栅格舵的主要形式，框架式、正置蜂窝式与斜置蜂窝式
当给定栅格数n时，可得到和与的线性关系，因为的值是不变的，即为1.414n：
当迎风曲线进行弧度处理后，可以大大降低热流密度，最多可达50%。
图11 栅格舵参数关系图
图12 栅格舵表面网格及空间流场
四、设计手段—试验与CFD仿真
1、试验与CFD缺一不可
图13 典型非常规风洞测力试验
现代复杂气动布局飞行器的研制过程已然证明，有效使用CFD方法可以大量节省设计经费、缩短研制周期。
2、试验的不可或缺性：CFD模拟能力尚有不足
图14 美国飞机风洞试验时间
（2）大迎角下，接近时，CFD计算值低于风洞试验值。
图15 大迎角CFD与试验对比曲线
图16 锥柱-船-裙柱火箭外形跨音速脉动压力流场图
3、CFD使得最优气动布局成为可能
CFD除了可以作为“数值风洞”使用，同时还具备风洞试验能力无法做到或极难做到的模拟能力。例如：
（1）复杂构型气动布局总体方案快速闭环
图17 空射洲际弹道导弹系统
五、设计手段—试验与CFD仿真
1、结构网格还是非结构网格
图18 典型的结构网格与非结构网格
好的结构网格，费时费力效果好，但非常依赖于经验，在绝大部分应用场景下，逐渐被非结构网格取代。但结构网格在物面黏性精确度高的特性，使得气动热仿真仍然依赖结构网格。
图19 各种网格方法适用性比较图
2、选用何种求解器
如此多的求解器，如何选择？各种求解器适合计算什么工况，这需要的仅仅是工程积累，勤于琢磨。而这不像CFD软件或者程序开发者，如果没有数学或者程序上的一些天赋，开发一个湍流模型，一个限制器，往往会被折磨的很痛苦。空气动力学的面很广，作为布局设计工程师，重要的是选剑，并非铸剑。
图20 边条与前翼引起的涡系发展
3、它不行，还是我不行
在飞行器气动力/热的仿真中，为什么有的工程师仿真结果与风洞试验数据吻合较好，有的工程师差异较大？无非，就是它不行，还是自己不行的问题。
它不行，讲的是，自己选择的网格生成工具及求解器，本身就不适合自己需要仿真模拟的工况。
图21 采用LES模型的S弯进气道拟序结构图
六、基于实际工程的飞行器气动设计与仿真公开课
1、技术答疑服务
前不久，我认证了仿真秀讲师，通过多年的设计、试验、仿真经验，从气动角度一起跟大家分享，在平并提供技术答疑服务，后续会进行课程分享。
（1）各种飞行器气动外形都是如何出来的
（2）某飞行器是如何演化成空气动力学最经典气动布局
（3）气动设计中，试验与CFD仿真扮演了何种角色
（4）不同工况下，怎样用商软得到媲美风洞试验的结果
请识别下方二维码观看，支持微 信、朋友圈分享反复回看。
2023飞行器设计仿真（四）：基于实际工程的飞行器气动设计与仿真-仿真秀直播
（完）
