波音747-400空气绕流分析
偶然间从网络下载了一个波音747-400的solidworks模型，如下图。突发奇想对该飞机整机进行一个外流场分析，这件事本身不靠谱，最根本的原因就是计算资源有限，机翼的绕流分析需要非常精细的网格，加上整机一起模拟，笔者这台雷神着实不够用。是可以计算出一个结果，但其数值精度、结果可靠性就不能深究了。因此，本案例仅做娱乐罢，模拟过程倒是可供参考。这里特别说明一下，我们设定模型的Y轴为垂直方向，Z和X为水平方向，因此根据图中情况，飞机模型的姿态为水平，实际飞行姿态可通过来流方向来间接设定。 我们从相关网站上找到了该款机型的相关参数如下，测量了一下模型的机身长度约为0.7023m，因此模型采用的比例尺为1:100。 首先，我们对飞机模型进行一定简化，删除不必要的细节，需要注意的是我们将发动机模型也省略了。为了方便后处理，可以分别对机身、机翼、尾翼（水平、垂直）进行几何边界命名。 由于飞机呈现对称结构，我们取一半模型，创建外流场模型。注意的是，外流场的边界要远离被研究物体的边缘。网格尺寸跨度相当大，因此需要的计算资源要求高。 我们在fluent meshing模块划分多面体和六面体混合网格，总节点数约为482.5万，单元数163.9万。另外，对机身壁面划分了5层边界层网格。可能有读者说，为什么不划分六边形结构化网格。对于该问题，笔者是这么认为的，通常在翼型高速流分析中，边界层网格要非常精细，采用结构化网格可能难免会出现非常大的细长比（aspect ratio），特别在整机模拟中，这种情况就常常还会出现在边界层以外的网格，这些过大细长比的网格可能影响计算精度和收敛性。我们注意到，虽然对机身进行了网格加密，但是机身附近的网格还是太粗了，特别是机翼周围还应该进行加密。可以通过BOI方式加密网格，无奈计算机内存爆表，实现不了。 首先我们要将模型在三个方向同比例放大100倍，这样模型的尺寸就和原型一样了。 由于该飞机的最大巡航速度982km/h，马赫数约为0.85，因此必须考虑介质的可压缩性了（FLUENT帮助文档建议马赫数小于0.3可不考虑压缩性），我们采用理想气体模型。 我们假定飞机的续航高度10000m，查询相关网站获取该高度的空气物性、气温气压、重力加速度等。 设定参考条件，由于我们采用理想气体模型，因此参考压力为0Pa更合适。 本案例，我们采用标准k-e湍流模型，壁面模型为标准壁面函数，这样可以采用稍微大一点的边界层网格高度（Y+>30）。 我们将除了中心对称面以外的所有其他面设置为压力远场边界，特别注意温度压力要设置成巡航高度的值，见前文。另外，我们通过模型可以看到，如果远场方向沿着z轴（水平），那么此时的迎角为0°，升力就会很小了。查询相关资料，民航客机的巡航迎角通常2~3°，也就是巡航也未必是水平的，本文我们选3°迎角（不知道有没有读者知道其确切参数）。通过y、z坐标分量来定义迎角。
计算迭代残差曲线以及飞机整机的升力和阻力迭代曲线如下，收敛性较好。 我们先看一下整机壁面的Y+值（图中有对称显示，下同），处在141~7510之间，边界层网格首层高度还是可以再细化一点，特别是机翼前后缘，使其尽可能落在30~300之间。 再看一下整机表面静压力和近邻速度分布，符合实际情况，速度（动压）大的位置静压小。注意这里的压力为绝对压力，在壁面显示流体速度时要取消勾选boundary values，否则壁面速度都为零。 我们读取一下整机各部分的升力值，可以看出机身、机翼，水平尾翼都提供了升力。该模型飞机巡航时的总升力约为344.984t，略小于最大飞行重量412.77t。 我们再读取一下整机各部分的阻力值，总阻力值约为16.976t，升阻比约为24.31。我们将速度乘以阻力，可以得到飞机飞行时所需的功率（由发动机提供）约为22635kW。我们假定航空燃料的热值为42000kJ/kg，发动机的效率45%，则飞行1小时（982公里）消耗的燃料为4311kg。 假如迎角为0°，则飞机的升力和阻力如下，总升力约为91.638t，显著小于飞机的重量，总阻力值约为19.5t，这肯定得掉下来了。 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-08-28
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