基于CFD方法的工程设计研究

任庆祝 王源博 国洪梅 徐璐

摘 要：该文简要地探讨了当前CFD方法在工程设计和科学研究中的应用历程，特别是对基于雷诺平均Navier-Stokes方程的求解粘性流动的CFD方法进行了梳理分析，并通过与风洞试验结果（测力风洞试验中模型测得的升力系数和阻力系数结果）进行对比，验证了该方法的准确性和可靠性，表明CFD计算方法已经可以获得较为满意的气动预估结果，最后采用该方法对某型飞机表面天线罩外形进行了优化设计分析，为风洞试验方案选型提供指导和借鉴作用，极大地提升了设计工作效率，同时降低了研制成本和研制风险，具有广阔的应用前景。

关键词：NS方程 CFD方法 升阻特性 工程设计

中图分类号：U664.34 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）02（c）-0054-02

随着计算流体力学（CFD-Computational Fluid Dynamics）理论的不断发展和计算机软硬件技术的不断进步，CFD方法在工程设计和科学研究中的应用越来越广泛，与理论流体力学和实验流体力学并列为當代流体力学研究的三大分支[1-3]。

从早期的基于无黏线化小扰动位势方程理论的面元法到采用有限差分法和有限体积法求解的无黏非线化小扰动位势方程和全速势方程，到今天普遍采用的求解无黏的欧拉方程和有黏的雷诺平均Navier-Stokes方程（RANS），计算流体力学对流场的流动模拟技术不断逼近于流动的物理真实状态。目前，采用基于Navier-Stokes方程（以下简称NS方程）的CFD技术已经越来越广泛地应用于工程与科研当中，本文对该方法在飞机天线罩气动选型中的应用进行了分析研究。

1 CFD计算方法

通常采用CFD方法对流体流动进行数值模拟流程如图1所示。大致可分为以下几个步骤[4-6]：

建立描述流动状态的数学模型（如雷诺平均NS方程），对于模拟粘性流动现象还需选择合适的湍流模型；

确立计算域的边界条件和初始条件；

建立计算域的计算网格和网格节点；

采用数值方法离散控制方程并求解；

满足收敛条件时输出并显示计算结果。

2 计算方法验证

由于数值模拟方法自身的局限性，CFD方法还无法全面取代风洞试验等其他研究手段[7]，为了得到准确度较高、稳定可靠的、能应用于工程研制中的CFD模拟计算方法，需对部分重要的模拟计算结果进行风洞试验验证（甚至飞行试验验证），本文采用了基于考虑了黏性影响的NS方程来模拟风洞试验模型绕流，并对计算得到的结果与风洞试验结果数据进行了对比，验证了该方法的准确性和可靠性。图2为某型飞机全机升阻特性CFD计算结果与风洞试验结果的对比。可以看出，在较大的迎角和侧滑角范围内两者比较接近，大迎角或者大侧滑角下的计算结果发展趋势也与试验结果的趋势一致，可满足工程设计的要求。

3 工程应用实例

针对某飞机天线布置需求，需加装整流天线罩，需要对天线罩外形方案进行优化设计，本文采用CFD方法对天线罩外形四种优化方案进行了CFD对比计算分析，各优化方案带来的气动参数影响量对比见图3。可以看出，在飞机巡航常用迎角以及一定侧滑角范围内，各优化方案相比原方案的全机阻力系数均有所下降，同时三通道静稳定性也有不同程度下降，其中方案3产生的阻力系数下降量最大，方案4的横航向静稳定性下降量最小，因此可初步选择方案3、方案4作为下一步的重点研究方案，进行风洞试验验证。

4 结语

在工程设计中应用CFD计算方法可以快速获得准确度较高、真实可信的气动预估结果，在方案设计阶段需要对多个方案进行优化选型设计时可极大地提高设计工作效率，减少风洞试验研究等工作量，同时也可以对候选方案的不足和风险进行预估，降低了研制成本和风险，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1] （美）约翰D.安德森，著，计算流体力学基础及其应用[M].吴颂平，刘赵淼，译，北京：机械工业出版社，2008.

[2] Blevins，R.D.Applied Fluid Dynamics Handbook.van Nostrand，1984.

[3] Tinoco E N.An assessment of CFD prediction of drag and other longitudinal characteristics[R].AIAA 2001-2002，2001.