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1、CFD流体仿真技术发展及在航空中应用摘要：现代CFD技术经过三个历史阶段的发展，己趋于成熟、实用，商业软件基本做到了“如果是 流态的，我们就可能对它进行分析”该技术在与流动有关的工程中的应用越来越广泛，在产品的原 型设计、参数化设计与虚拟实验、设计优化方面表现出明显的优越性。本文介绍了计算流体力学(CFD) 通用软件的主要特点和发展概况，以及CFD技术在航空领域的发展和应用。关键词：CFD ；航空；发动机；应用发展1引言： 目前，工程软件主要是三大类:CAD/ CAM类、结构分析类、CFD类。CFD的 全称是计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics),其主要用途
2、是对流态进行数值仿真 模拟计算。CFD技术用途非常广泛，大到飞机、火箭、船舶、建筑物、汽车等的外部流场和 化学反应器、发动机、锅炉等内部反应、燃烧、传热、传质过程的仿真模拟小到喷墨打印 机喷墨、人体微血管内血液流动过程的仿真模拟。2 CFD技术简介与发展2.1 CFD简介CFD软件(Computational Fluid Dynamics),即计算流体动力学，简称CFD。CFD是近 代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以 电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计 算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。2.2 C
3、DF的发展计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是20世纪60年代起伴随计算机技术迅速崛起的学科。经过半个世纪的迅猛发展，这门学科己相当成熟，成熟的一个重要3航空中的CFD分析技术3.1 CFD在航空中的使用情况CFD作为CAE技术的一种，已经越来越多的被国内外航空企业广泛的得以应用。第一 个商用CFD软件包FLUENT，由与美国空军合作的流体技术服务公司Creare公司于1983 年推出的。商业CFD软件的开发及应用，加速了航空工业的发展，使得基于虚拟样机仿真 的现代设计方法成为了可能。以波音公司航空研发发展历史为例，不难发现，波音公司先后 采用
4、了经典的实验测试方法、半经验的方法、空气动力学的计算、政府内部及企业的CFD 代码及广泛的采用CFD商业代码。在波音公司2005年的软件应用报告中明确指明，在1998 至2005年内，其公司每年数值仿真成果的增加量都接近84%左右，采用CAE/CFD的速度 超过了工业的成长速度，CFD技术已经成为其设计的主要手段之一。另外从美国软件公司 ANSYS公司的销售业绩报告上显示，航空工业上的应用产值是其公司的主要收益来源之一。3.2 CFD在航空发动机研制中的优势CFD软件正以其强大的优势在研发中发挥的巨大的作用，20世纪90年代以来，在西 方航空发达国家引发了一场设计技术的“革命”初步实现了从“传
5、统设计”向依靠计算机 数学模型优化计算和虚拟现实仿真“预测设计”的转变，将“基于物理样机试验的传统设计 方法”带入了“基于虚拟样机仿真的现代设计方法”中，从而大大减少了试验工作量，提 高了设计的成功率，既节约了经费，又缩短了研制周期，提高了企业竞争力。(1) 发动机涡轮、压气机等部件的设计、性能校核和优化改进。通过CFD模拟试验， 快速和系统地分析几何形状变化对于设计与非设计点气动性能的影响。此外，还可以针对在 发动机整机试车中所获得的数据和现象，进行数值模拟和分析。(2) 以往的发动机全尺寸仿真大都是零维的，无法反映发动机内客观存在的多部件与 多学科流动特征，与此相对应的流动关系要经过硬件试
6、验才可得到，而此时往往已进行了相 当的研制工作，作过了大量的试验，设计上的改变将会造成时间和经费上的巨大浪费。而运 用CFD技术，可直接对多个部件的整合模型进行求解，直观地反映出各部件之间流动的干 扰及整体的气动特性。3.3 CFD在压缩机、涡轮、燃烧室方面的应用气动稳定性的设计是当代航空发动机发展研制过程中的重要技术问题之一。在航空发动 机中，对气流最敏感的部件是风扇、压气机和涡轮。在以上3个部件中，CFD的主要应用 集中在对压气机和涡轮效率分析上，多级压气机/涡轮最主要的气动问题就是各级流动是否 匹配，总的效率是否达到设计要求。在涡轮方面，CFD不仅可以计算涡轮效率，而且对涡 轮叶片的冷却
7、效果分析有着重要的应用。在针对涡轮的冷却模拟中，CFD软件的表现力更加出色，由于具有冷却系统的涡轮叶 片结构非常复杂，实验无法观察到叶片内部流动状况，而模拟可以很好刻画叶片内部的流动 及换热特点，因此越来越多的航空发动机涡轮冷却分析采用了数值模拟的方式。3.4 CFD应用中的局限性(1)商用CFD软件模拟流动与换热现象的数学模型很丰富，具有很强的通用型，但在 处理发动机某些复杂结构时，模型的针对性则不足此时CFD分析结果只能作为设计工作的 参考为了提供准确度较高的定量分析结果，还需要大量试验验证的数据支持(2)对发动机的热端部件尤其是转子件的温度预估十分重要目前CFD技术对于转动系 转转系的流
8、动分析，尤其是换热特性分析仍有较大误差，需通过更多试验研究来完善4 CFD技术航空领域的未来目前计算流体力学在航空航天领域处于蓬勃发展的阶段，特别是计算机速度的倍增带动 了计算能力的飞跃，一个以N S方程计算程序为主体配合相应的子程序和并行运算模块 的计算模式以其适应面较广的优势，日益为人们所接受。可以预见，这一模式将会推广到飞 行器设计的各个方面各个领域的应用，从而加速新设计新型号的开发进程。另一方面，也要 认识到虽然通过这种方式可以模拟流动，但是对物理模型的选择、控制方程的离散化、网格 生成和边界条件的处理都不免有与实际情况偏离的地方，因此通过实验摸清流动机理、对网 格生成和计算方法的研究
9、改进，也是在计算流体力学的应用实践中克服困难的必要的辅助手 段。再者，值得一提的是当前国外商业软件发展的很多要想能选择适合自己需用的软件有关 人员还要具备上述气动模拟和程序设计的知识以及软件开发应用的经验。如能开发自己的计 算流体力学平台则较为方便一方面可以避免商业软件中关键技术上的限制.5总结本文通过对CFD在航空发动机应用的文献搜集，展示了目前航空发动机的研发现状， 通过对CFD技术的简介和发展背景以及实际应用介绍，不难发现：CFD技术不仅针对航 空发动机的核心机方面有实际应用，而且在其它的辅助系统内部也有较好的应用；CFD技 术已经成为了航空发动机研发中一种比不可少的工具。CFD技术在发动机中的应用，使得 对发动机气动特性的详细研究又向前推进了一步，不仅节省了发动机试车的时间与成本，避 免了实际试车的危险，并可以获得全部参数数据，其中包括实际试车时难以测量的参数，还 可解决多参数的优化问题。展望未来，可以预见CFD技术必将成为航空发动机研发的主要手段之一，而且随着计 算机技术与CFD技术的发展，航空发动机整机数值模拟也将会最终实现。参考文献：1 .王国峰.CFD仿真技术在航空发动机中的应用.CAE专刊.2013年.2 .钟英杰.CFD技术及在现代工业中的应用.浙江工业大学学报,2003年6月第3期.
