虚拟流体试验环境

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1、虚拟流体试验环境1、虚拟流体试验环境简介和必要性虚拟流体试验环境是随着近年来仿真计算技术的高速发展，以及大规模计算硬件设备的发展而诞生的一项崭新的仿真技术，通过建立真实风洞的仿真模型，或者建立虚拟的大空间风洞仿真模型，进行飞行器的计算流体力学仿真分析，得到气动升阻力、噪声、热管理、脉动压力等等物理量计算结果，从而达到测试所研究对象的流体动力学性能的目的。由于虚拟流体试验环境不受环境、空间和功率限制，理论上可以拓展到非常广大的空间，把真实风洞的阻挡效应降到最低，因而可以真实地反映飞行器和地面交通工具在开放空间的飞行/行驶状态，无需作任何的修正，因此今年来在发达国家的航空航天领域得

2、到了迅速的发展。和真实风洞相比，虚拟流体试验环境所提供的一系列方便性与优越性是现在的真实风洞所无法企及的，其中包括：1)风洞的阻挡效应被降到最低，真实反映开放空间的飞行/行驶状态虚拟风洞的阻碍率可以低到0.1%以下，这相当与喷嘴出口面积为2000m2的真实风洞的阻碍率，从而最大程度上还原和反映开放空间的飞行或行驶状态，更准确地模拟了飞行器的流体动力学性能。2)轻松实现全尺寸、全细节模型的仿真，性能分析和设计优化在真实风洞中，受空间所限，经常需要对缩比的模型实施风洞试验，在通过相似准则，得到真实比例模型的性能参数。由于加工的复杂程度，缩比模型相比全尺寸模型会有些偏差，尤其是全尺寸

3、模型中的一些微小的结构，如缝隙和空腔，在缩比模型的制作过程中会有所偏离。而这些小的细节往往会对流场结构产生较大的影响。与之相对的，在虚拟风洞中可以完全不受空间和模型加工条件的限制，对全尺寸模型实施性能分析和优化设计。1)通过零件和特征识别阻力和升力的影响在真实风洞试验中，得到的往往是全模型总体的力、力矩的结果，如果想辨认出模型中某个区域或者某个组件的受力情况是非常困难的，而从总体的结果中很难得知模型中的哪些区域才是优化的方向和重点，并且如果实施了一次局部改动，只能根据总体的改进效果来判断其有效与否，这样很可能造成一些有潜力的改型方案被轻易否决掉了。而在虚拟风洞中，我们可以通过仿

4、真手段，在后处理分析中得到详细的模型各个区域和各个零件对力和力矩的贡献，从而对局部区域和单独的零件进行优化分析，逐步达到优化整体性能的目的。2)对仿真模型可快速优化，无需等待零件制造的周期虚拟风洞试验的另一优势就在于它的周转时间可以非常短，无需等待模型的更改和新模型的制造。通过仿真软件和优化软件，可以同时实施试验设计与分析（DOE），在参数空间内分析和寻找到最优化的参数组合，得到性能最佳的设计方案。这一切工作都可以在较短的时间和较少的资源消耗下完成。3)每一次运行例如表面压力、油流、全部流场数据和声学分析时可同时获得详细测试数据虚拟风洞试验所得到的数据的翔实程度也是真实风洞所无

5、法比拟的。在一次虚拟风洞试验中，可以得到全空间中上亿的观测点处的全部物理量的测量结果，这对于真实风洞来说是不可想象的。同时，包括表面压力、油流、流场和声学的数据也可以同时得到，一次虚拟风洞试验，相当于至少作了一次外流场试验和一次噪声试验，丰富的测试数据为工程师和设计师分析结果和优化性能提供了大量的信息广阔的思考空间。下图为虚拟流体试验环境与多种真实风洞测试的能力对比：风洞特征虚拟风洞全尺寸外流场风洞全尺寸外流场风洞缩比例外流场风洞环境舱力平衡◎◎◎◎○流场可视化（烟气）◎◎◎◎◎流场测量（速度、温度、压力）◎○○○○油流◎◎◎◎◎表面测量（速度、温度、压力）◎○○○－时间相关的

6、数据◎○○○－表面载荷（从结构软件导入）◎－－－－零件或特征的体积力◎－－－－声学噪声源◎○○－－换热系数◎－－－－图例：◎通常可用；○视情况可用；－通常不可用1)有效节省费用和成本通过虚拟风洞节省费用的途径包括：减少物理样机，减低所需的试验次数，避免重建和升级真实风洞的花费；对流体的分析更有前瞻性，仿真分析可以不间断地进行，工程师的时间更多地花在分析结果上而不是建模和数据收集上，直观生动的结果可视化形式可以同时对多个模型进行分析，在图像上查看、对比结果，发现影响空气动力学性能和气动噪声的部件和有问题的区域；在设计早期就可以证实样机满足标准；从而缩短设计周期，并使设计更具有竞争

7、力、质量更好；2、虚拟流体试验环境建设目标l建立起虚拟流体试验环境，满足三院所有飞行器能够以全尺寸进行虚拟流体试验；l虚拟流体试验所采用的CAD模型为无需简化的全细节CAD模型，以保证虚拟试验的结果完整性；l虚拟试验的准确度控制在1%-3%的误差范围内；l虚拟试验环境支持飞行器的外形及内部结构优化设计；l整弹虚拟流体试验网格生成时间在2小时以内，单工况仿真计算时间在8小时以内，优化一次时间控制在2小时以内；l优化完毕的飞行器结构能够支持输出成为CAD模型；l虚拟流体环境能够计算外流场、热管理