ANSYS新技术助力大飞机总体∕气动设计

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1、．：!l：：!!三．!!!!iiL：；。。。。。。。：。。。。：ANSYS新技术助力大飞机总体／气动设计NewTechnologyofANSYSforGeneralAerodynamicDesignofLargeAircraft安世亚太流体产品业务部左志成西北工业大学空气动力学硕士学位。2004～2006年．在中航工业第一飞机设计研究院气动设计研究室工作。2007年加入安世亚太公司。2010至今．任职安世亚太公司流体产品业务部区域技术经理。针对大飞机总体布局和气动力设计中的关键技术以及目前遇到的种种问题，ANSYS公司凭借优秀的多物理场协同仿真技术、航空领域广泛应用的CFD求解技术、领先

2、的CFD湍流计算模型和高效的气动噪声模型及完善的技术服务体系，对解94航牵制造技术·2011年第21期针对大飞机总体布局和气动力设计中的关键技术以及目前遇到的种种问题，ANSYS公司凭借优秀的多物理场协同仿真技术、航空领域广泛应用的CFD求解技术、领先的CFD湍流计算模型和高效的气动噪声模型及完善的技术服务体系，对解决上述问题将起到有效的推动作用。决上述问题将起到有效的推动作用。大飞机研发总体布局和气动力设计关键技术目前存在的问题大飞机研发需要的关键技术很多，但总体布局和气动力技术是设计的重中之重。比如总体技术方案与气动和局选型、总体外形参数优化、超I临界机翼与高效增升装置研究、气动控制

3、与减阻技术、大展弦比机翼气动弹性分析计算技术、高效的气动降噪与发动机降噪技术、超临界机翼颤振分析和空投与空降时飞机稳定性分析等⋯。下面就上述重点问题进行详细阐述：(1j总体技术方案与气动布局选型。由于速势、欧拉方程的局限性．使得在高雷诺数下可以获得较高精度，但是无法适应超临界机翼设计、飞机低速气动布局评估、飞机失速特性预测等和粘性流动密切相关工作。随着CFD软件并行效率的提高和高性能计算机日新月异的发展，N—S方程应用于总体方案与气动柿局选型成为大势所趋。(2)超临界机翼与高教增升装置研究。超临界机翼和增升装置气流流动都具备层流区和湍流区共存的特点，流动转捩足CFD气动计算的难点。目前C

4、FD代码普遍有基于低雷诺数修正模j=}l!或基于二维的e“准则来模拟过渡流动，但是上面这2种方法有很大的局限性，无法适应超临界机翼和复杂增升装置的转捩流动精确气动力评估。近些年，基于传输方程的Gamma—Theta模型在航空领域获得了成功的应用。西北工业大学陈奕等发表了{Gamma—Theta转捩模型在绕翼型流动问题中的应用》，作者采用GammaTheta模型成功预测了$809翼型的气动力系数、前缘分离泡和不同迎角下的转捩点位置。由于转捩计算对网格要求较高，比如近壁面网格密度和流向网格密度的要求会导致三维增升装置计算网格量达到千万量级，这大大限制了转捩计算在国内航空单位的广泛应用。(3)

5、大展弦比机翼气动弹性分析计算技术。大展弦比机翼气弹设计在大飞机研发中非常重要，国外研究结果表明，在Ma=O．8，Re=2．1e7条件下，弹性变形对MD90翼身组合体机翼外侧剖面压力分布影响达30％以上。过去以刚性机翼作为研究对象，加以弹性修正的方法，可能会导致重新修改飞机的基本布局．难以适应大飞机设计要求，因此，必须从方案论证阶段就考虑气弹要求8】。因此对于大飞机总体气动布局设计而言，迫切需要一个可以包含静气弹计算的多物理场参数化设计平台，通过改变总体布局参数，快速获得考虑静气弹影响的气动力分析结果。(4)超临界机翼颤振。过去广泛运用于飞机颤振的偶极子格网法(DLM)，基于线化势流理论，

6、无法解决非线性强的流场，而且由于采用平面模型导致无法计人机翼厚度、迎角等几何细节。近年来随着CFD技术和计算机El新月异的发展，CFD／CSD耦合方法也迅速发展。2l世纪初国外学者提出了HISSS／NASTRAN方法、CFL3D／GFEC方法、ZAERO／NASTRAN方法等一体化设计手段。但是对于结构的求解，国内外大多基于结构在静变形平衡位置附近做微幅振动的假设，沿用线性系统振动理论中固有频率和模态的概念．称为“准模态”方法，基于该方法，结构振动方程仍然为线性，所以无法完整考虑结构和流场的非线性效应”1。(5)高效气动降噪与发动机降噪设计。气动噪声是大飞机研制阶段必须重视的空气动力学问

7、题之一。大飞机降落时襟翼、副翼和起落架展开，飞机为高升力、高阻力结构，发动机喷口湍流流人大气，湍流边界层和空腔振荡产生很强的噪音。飞机低空飞行很长距离，潜在地使大片区域暴露在飞机进场噪声环境中，尤其对附近由居住人群有较大的影响。可见，降噪设计将成为大飞机设计中的重要环节。气动噪声是大飞机研制阶段必须重视的空气动力学问题。大飞机降落时襟翼、副翼和起落架展开，飞机为高升力、高阻力结构．发动机喷口湍流流人大气，湍流边界层和空腔振荡产生很强