ANSYS软件在飞行原理教学中的应用研究

杨太鹏

中国民航大学 天津 300300

0 引 言

ANSYS软件是一个多用途的有限元法计算机设计程序，集结构、热、流体、电磁、声学于一体，可广泛用于航空航天、机械制造、能源、汽车交通、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究领域［1］。ANSYS软件包括3 个部分，即项目建模、网格划分模块，分析计算模块和可视化模块［2］。项目建模、网格划分模块提供了一个宏大的实体建模及实用的网格划分工具，工程师可以方便地结合项目内容需求，利用计算机辅助来构造有限元模型。分析计算模块包括结构分析（线性、非线性和高度非线性）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。可视化模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可观察结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

ANSYS软件中流体单元插件Fluent在流体力学的研究模拟中实用性最强，与其他传统计算流体力学（CFD）软件相比，Fluent的突出特点是稳定性高、试用范围广、计算精度高［3］。Fluent能进行流体动力学分析，所分析类型可以为瞬态或稳态，分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的温度等，且可以利用可视化功能获得压力、速度和温度分布的图形，其中可视化模块的功能在飞行原理教学中得到广泛应用。

飞行原理课程是交通运输类飞行技术专业本科生的专业基础课，其教学内容涵盖低速空气动力学、高速空气动力学及螺旋桨空气动力学等。理论教学中涉及一些二维机翼空气动力学原理的理解与应用，如二元多段翼流场、机翼绕流流场、机翼增升现象等。这些概念及原理如果只通过理论教学，理解起来较为抽象，而在教学中以可视化的方式引入ANSYS流体单元插件Fluent对这些问题进行动力学分析模拟，可起到事半功倍的教学效果。下面通过一些简单的实例来加以说明。

1 二维多段翼流场分布模拟

1.1 实体建模

多段翼型（multi-element airfoil）指的是机翼为增升效果，添加副翼、襟翼和缝翼等翼面而组成的多段机翼。要实现对二维多段翼流场分布模拟，首先要利用ANSYS软件进行实体建模。

ANSYS软件提供了2种实体建模方法，即自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，工程师定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基础单元，ANSYS会自动定义相关的点、线、面。工程师利用这些高级单元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形及三维的块、圆球、圆锥和圆柱。无论是使用自顶向下还是自底向上方法建模，工程师均能使用布尔运算来合并、剪切、拉伸模型，进而“打造出”理想的实体模型。ANSYS软件提供了完整的布尔运算，如相加、相减、相交、分割、黏结和重叠。在创建复杂实体模型时，对点、线、面、体、单元的布尔操作能提高建模效率和减少工程师建模投入的精力。ANSYS软件还涵盖拖拉、延伸、旋转、移动和拷贝实体模型图元的功能，可以完成圆弧构造、切线构造，通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成，实现网格划分的硬点建立、移动、拷贝和删除。自底向上进行实体建模时，工程师从最低级的图元向上构造模型，即首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。

本文模型主要由两部分组成，分别是二维多段机翼模型和其外流场模型。二维多段机翼模型采用自底向上进行实体建模，包含前缘缝翼、主翼和后缘襟翼。机翼选取NACA0012 为基础翼型，导入翼型数据，并以关键点显示，运用布尔运算合并、剪切，添加关键点，以关键点为中心，三点连接画弧线，将其在ANSYS中改装成为多段机翼，设定迎角α=6°，如图1 所示。

图1 多段翼型建模Fig.1 Multi-segment airfoil modeling

气流绕翼型的流动指的是气流绕过二维机翼的流动，模拟绕流需要搭建风场，也就是外流场。首先，ANSYS软件可以提供强大的外流场模拟环境，根据测量的模型不同匹配建模。外流场空气的来流方向为机翼的正前方，后端为出口。设定空气来流马赫数Ma= 0.6，分析其流场分布及气动力特性，利用ANSYS 软件进行二维多段翼外流场建模，如图2 所示。

图2 外流场建模Fig.2 Outflow field modeling

1.2 网格划分

对已建实体模型进行网格划分。根据气流流过多段翼的气动力分布特点，对模拟风场进行网络划分，在机翼表面和机翼开缝处，网格划分越紧密、均匀，越能反映该翼型的气动力特性［3］。

ANSYS软件涵盖高效、优质的实体模型网格划分功能，有4种不同的网格划分方法，即延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许工程师将几何模型分解成简单的几部分，进而选择合适的单元属性和网格控制，并生成映像网格。ANSYS软件的自由网格划分功能十分强大，可对复杂模型直接划分，能够避免因对各个部分拆分、组装导致的不匹配。自适应网格划分是在生成具有边界条件的实体模型后，工程师设定程序自动生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，并再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于工程师定义的值或达到定义的求解次数。利用ANSYS软件的自由网格划分功能对二维多段翼外流场进行网格划分，如图3 所示。

图3 流体网格划分Fig.3 Fluid analysis grid

1.3 施加载荷

施加载荷是有限元分析的核心环节，可以对网格划分之后的有限元模型进行施加载荷，也可以直接对实体模型施加载荷。在对实体模型进行划分网格和施加载荷后，选择适当的求解器对问题进行求解。ANSYS中载荷包括边界条件和模型内部或外部的作用力。在不同学科中，载荷的定义不同。本文运用流场分析，主要分析压力和速度。

通过ANSYS模拟分析的引入，加深学生对二维多段翼流场气动力的理解。利用ANSYS软件，模拟二维多段翼流场压力分布结果，如图4 所示；温度分布结果，如图5 所示；速度分布结果，如图6 所示；速度矢量分布结果，如图7 所示。

图4 压力分布图Fig.4 Distribution of pressure

图5 温度分布图Fig.5 Distribution of temperature

图6 速度分布图Fig.6 Distribution of velocity

在飞行原理理论教学中，教师利用ANSYS模拟分析结果，让学生直观找出气动力压力分布的特征点，要求学生清晰地在图4 中标出其正压最大点A。学生能够在图4 机翼前缘附近找到此点，也可以在图6 中找到此点的位置，并在对应的纵坐标中查到该处气流流速为零，与飞行原理理论教学讲授的内容相一致；也可引申找到最低压力点B，即负压最大的点［4］，并作出标记，如图8 所示。

图8 正压、负压示意图Fig.8 Schematic of positive pressure and negative pressure

通过上述具体的图形及数值分析，学生可明显地看到气流绕上下翼面流动，机翼翼型上下表面均出现正压及负压，且程度不同，整体压力分布方向向上。引入这样的模拟分析有助于提高学生动手、动眼及动脑的综合思考能力，可有效提升学生对低速空气动力学问题的理解和掌握，从而为学生日后飞行训练实践奠定扎实的理论基础。

2 “音爆云”机翼绕流场模拟

在飞行原理教学中，讲到高速空气动力学就会联系到“音爆云”，是学生比较感兴趣的地方。“音爆云”是一种飞行器飞行时的自然现象，用理论和文字来描述很抽象，不利于学生搭建空间想象，也很难理解知识点。运用ANSYS分析软件可以让学生更直观地认识这一现象的成因及掌握高速空气动力学的知识内容。

“音爆云”主要是指当飞行器某些位置，如上表面弯度最大点的气流速度达到音速时，周围空气受到压缩，进一步加速将导致空气压缩的影响逐渐增大，从而使空气中的水汽凝结成云。

本文模型选取NACA0012 标准翼型，模拟其在马赫Ma=0.8、迎角α=0°下的“音爆云”及水汽分布。

取大气条件为：当地温度t=27℃（T≈300 K），当地空气压力P=101 325 Pa，相对湿度φ=80%。计算含湿量（含湿量即在湿空气中1 kg干空气含有水蒸气的重量，常用d来表示，单位为g/kg干空气）。

将t、P、φ代入下列饱和水蒸气分压力Psb计算公式（1）和含湿量d计算公式（2）进行求解。

其中：P为空气压力（Pa）；Psb为饱和水蒸气分压力（Pa）；φ为相对湿度（%）。由式（1）（2）可得出当地空气的含湿量d=18.1 g/kg。

运用ANSYS 软件进行建模，如图9 所示；运用ANSYS软件进行数据分析，如图10 所示。

图9 ANSYS软件建模图Fig.9 Modeling by ANSYS

图10 ANSYS软件数据分析图Fig.10 Data analysis by ANSYS

运用ANSYS软件模拟“音爆云”现象中机翼绕流场分析结果，压力分布如图11 所示，马赫数分布如图12 所示，速度分析如图13 所示，水汽区域分析如图14 所示，“音爆云”模拟如图15 所示。

图11 压力分布分析图Fig.11 Distribution of pressure

图12 马赫数分布图Fig.12 Distribution of mach number

图13 速度分析图Fig.13 Analysis of velocity

图14 水汽区域分析图Fig.14 Analysis of water vapor area

图15 “音爆云”模拟图Fig.15 Simulation of “Sonic boom cloud”

运用ANSYS软件模型计算方法，验证了“音爆云”现象的科学性，加深了学生对该现象的理解。

3 机翼增升现象模拟

飞机的升力主要来源于机翼，机翼产生升力L主要是由大气流体绕机翼流动产生机翼上下表面的压力差来决定的。学生很难理解升力L、机翼上下表面压力差和机翼迎角α的变化关系。利用ANSYS软件，模拟机翼增升现象［5］，使学生明确机翼增升的原理和变化规律，选取NACA 2412 标准翼型。美国NACA翼型属于最早的低速翼型系列，与早期的翼型相比，NACA系列翼型具有最大升力系数较高、阻力系数较低的特点。NACA XYZZ中后4 位字母的含义分别为相对弯度（X）、最大弯度位置（Y）、相对厚度（ZZ），即NACA 2412 表示该翼型的相对弯度为2%，最大弯度位置在弦长的40%处，相对厚度为12%。利用ANSYS自适应网格划分功能，自动生成实体模型网格，经网格检查后，将生成的网格导入ANSYS软件流体单元插件Fluent 中，模拟该翼型在湍流模型下的气动力分布，然后启动气动能量方程，选择S-A（Spalart-Allmaras）模型，流体材料（Materials）为理想空气（ideal air），并确认Cell Zone Condition 中fluid 流体计算材料已更改为理想空气。设定大气压强P=101 325 Pa，温度T=300 K，马赫数Ma=0.8，迎角α=0°、5°、15°下的压力表现，分别如图16 ~ 18 所示。

图16 α=0° 压力分布示意图Fig.16 Distribution of pressure at α=0°

图17 α=5° 压力分布示意图Fig.17 Distribution of pressure at α=5°

图18 α=15° 压力分布示意图Fig.18 Distribution of pressure at α=15°

通过ANSYS软件的模拟，学生能够直观地看到理想流体绕翼型流动，在0°～15°范围内，不同迎角下的压强分布会随着迎角的变化而变化，随着迎角α增大，负压峰值逐渐增大。上表面整体压力分布负压向前移动，下表面由存在负压到逐渐由正压代替；上表面逆压梯度逐渐增大，下表面顺压流动；上下表面压强差逐渐增大，升力L随机翼上下压强差的变大而逐渐增大，即升力L在0°～15°范围内随迎角的增大而增大。随着迎角α的增大，正压力最大点驻点A（该处气流流速为零）从翼面前缘处向机翼下翼面后缘处移动。数字化模拟分析与飞行原理理论教学内容得到了相互验证，也切实提高了学生对知识内容的掌握程度和辨识度。

4 结 语

通过阐述ANSYS软件应用到飞行原理教学中的优势，引用ANSYS软件对相关空气动力学问题进行建模、分析计算，并可视化呈现模拟结果，使课堂教学内容更加丰富、生动，激发学生对多媒体数字仿真前沿技术学习的积极性，拓展学生的知识面，加深学生对飞行原理中相关空气动力学概念及物理现象的理解和掌握，提高学生的空间想象和分析计算能力。