大型飞机气动设计中的CFD技术

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1、大型飞机气动设计中的CFD技术CFDTechnologyforAerodynamicDesignofLargeCommercialAircraft北京航空航天大学国家计算流体力学实验室阎超甘文彪阎超液体力学教授，博士生导师，主要从事CFD领域的研究工作。近30多年来计算机和CFD计算方法的迅速发展，CFD取得了很大的成就。今天，以数值求解Euler方程和RANS方程为代表的CFD技术已经广泛应用到航空、航天、船舶、武器装备等领域，取得了令人瞩目的成就，13益展现出它蓬勃的活力和发展的潜力川。在航空航天等领域，CFD革命性地改变了传统的空气动力学研究和设计方法

2、，推动了这些领域的技术进步。由于CFD在节省研制费用、缩短研制周期、实现研制数字化自动70航宅制造技术·2010年第14期由于CFD在节省研制费用、缩短研制周期、实现研制数字化自动化、提高研制质量等方面的优势。越来越多的人认为未来飞行器性能的确定，将依赖于在“虚拟风洞"数据基础上产生的“虚拟飞行”。这将是飞行器研制的主要发展方向。化、提高研制质量等方面的优势，越来越多的人认为未来飞行器性能的确定，将依赖于在“虚拟风洞”(CFD)数据基础卜产生的“虚拟飞行”，这将是飞行器研制的主要发展方向。美国NASA在20世纪90年代的20项关键技术中CFD技术被列为第8项

3、，属最优先发展的技术领域。今天的CFD已经成为飞机、导弹、飞船等航空航天飞行器研制中一种主要的气动分析和设计工具。CFD以其快速、经济、高效、适用面广、约束少、数据详尽、容易实现数字化和自动化设计等特有的优势改变了传统的气动设计方法，成为航空航天飞行器研制中无可替代的有力T具。在我国，CFD研究及其应用也得到了迅速的发展。目前，CFD在我国航空航天领域的现状是：(1)CFD已经得到普遍的认可，成为型号设计部门的常规手段，在大多数型号单位成为主要的气动设计手段，风洞试验成为后期的确认性工作；(2)一般情况下，CFD精度可以满足工程要求，型号部门大都购买了商业C

4、FD软件，但使用者的水平需要进一步提高；(3)商业CFD软件具有功能全面、使用方便、技术服务好等优点，但这些商业软件的性能低，如计算精度、计算效率、可靠性均较差。西方大国的先进CFD软件是禁止向我国出口的，如CFL3D、USM3D等NASA发展的著名CFD软件；(4)计算周期大大缩短，常规CFD任务可以在一周至数周内完成，复杂任务可以在数周至数月内完成。基于CFD在我国航空航天领域应用的现状，本文主要论述大型飞机气动设计中的CFD技术。大型飞机是指起飞总重超过Aefodynam．cD。。。g。Te。hn0}ogyforLafgec。。∽删斯砌大飞机气动设计技

5、术100t的各类用途的大型军民用运载类飞机。大型飞机的研制对国民经济的发展和科技进步有重大的带动作用‘到。科技进步不断提升着大型飞机的性能。欧洲计划在2020年实现飞机阻力减小50％、噪声减小50％、开发时间缩短50％，其中主要依靠的手段之一就是CFD技术。例如，科学家们希望通过CFD技术缩减常规风洞试验：于2008年减少20％，至2015年减少50％。至2025年减少75％。1998年，美国Loekhe，IedMartin公司的P．Raj在一篇题为{21世纪的飞机设计》的论文p1中指出：CFD将在飞行器气动设计中起到关键性作用，并在飞机设计的每一阶段起到核

6、心作用。波音公司研制波音787时CFD发挥了巨大作用(见图1)，由于CFD的发展，波音787的风洞试验时间比1990年的波音777减少了30％、比1980年的波音767减少了55％。在波音商业飞机部，为了支持各种产品，每年要运行超过2万次CFD作业。其中85％的作业是由CFD研究小组以外的生产工程师完成的。CFD计算以数小时或数天、而不是以前的数周或数月的时间及时提供结果。CFD变革了机翼的设计方法，传统的、依赖经验和大量风洞实验的“试错法”(cut—and—trv)已经被依赖CFD模拟的“反设计方法”和“多点优化方法”所取代。这些新方法更快、更经济，更重要

7、的是这些新方法设计出的机翼性能比传统方法设计的机翼有了显著的改进。传统的“试错法”需要设计几十个机翼并进行大量风洞试验，而新的CFD设计方法，只需要设计出2、3个性能最好的机翼，再放到风洞里进行试验验证和最终选型。显然，CFD技术在飞机设计领域的应用越来越引人瞩目。下面将简述大型飞机气动设计中的CFD技术，包括超临界翼型设计、机翼设计、增升系统设计和全机CFD技术等几个方面。超临界翼型设计机翼是飞机设计的灵魂，翼型是机翼设计的根本。亚声速大型飞机得以研制成功的一个重要因素是将普通翼型改为超临界翼型。气流绕过普通翼型前缘时速度增加较多(前缘越尖，迎角越大，增加

8、越多)，在翼型上表面流速继续增加。翼型厚度越大，上表