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2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
第六章航空航天氣動解決方案航空航天飛行器的研制過程及其需求飛機研制的具體特點及其氣動分析航天領(lǐng)域的氣動分析氣動載荷傳遞給結(jié)構(gòu)分析
作者: 安世亞太 來源: 安世亞太
關(guān)鍵字: 航空航天 CAE 仿真 解決方案 ANSYS 安世亞太
第六章航空氣動解決方案
1.航空飛行器的研制過程及其需求
航空飛行器的研制通常具有周期長、費用高的特點,因此必須按照分階段逐步推進的方法,才能形成有效的設(shè)計過程。當前的研制手段有風洞試驗和氣動模擬。典型的飛行器的研制包括概念論證設(shè)計階段、方案設(shè)計階段、工程研制、設(shè)計定型階段和生產(chǎn)定型階段五個過程。這個過程是從初步到具體,不斷深化和具體化的過程。
工程研制階段主要確定飛行器的總體技術(shù)方案。在此階段針對設(shè)計方案的更改需要進行一些氣動驗證分析。
設(shè)計定型階段主要進行定型試飛。對局部更道內(nèi)外流自適應網(wǎng)格求解馬赫數(shù)改需要進行少量氣動驗證。
對生產(chǎn)定型階段,可能會有一些更改。這一階段的氣動計算很少。
氣動分析的工作量和重要性主要體現(xiàn)在概念論證階段和方案設(shè)計階段。因此下面針對這兩個方面進行具體論述。
1.1.概念論證設(shè)計階段
概念論證設(shè)計階段主要研究新飛行器的可行性,對關(guān)鍵新技術(shù)進行初步試驗驗證,包括氣動布局的分析和風洞試驗。
在這個階段首先需要確定總體氣動布局方案。通?？梢赃x擇大量的方案進行對比,研究在不同的馬赫數(shù)、攻角、側(cè)滑角下整機的氣動性能,升力、阻力、俯仰力矩等氣動力參數(shù)能否達到設(shè)計要求,經(jīng)過充分的論證后,從中選出有足夠先進性和實際可行的初步方案,作為進一步的設(shè)計基礎(chǔ)。這個階段不可能做大量的風洞試驗,因此需要能夠快速進行整機性能預測和方案篩選的氣動模擬工具。
CART3D是NASA Ames研究中心開發(fā)的高可信度快速氣動分析軟件。專門進行整機氣動分析,除了提取部件和整體的氣動力外,還可以進行導彈投擲分析。已經(jīng)在美歐的航空工業(yè)界得到廣泛而成功的應用。
舉一個典型飛行器研制的情況,該飛行器需要考慮30種不同攻角,20個馬赫數(shù),5種不同側(cè)滑角,總共有3000種不同的計算狀態(tài)。這對一般的氣動計算,至少需要100000小時的CPU時間。而采用CART3D的并行計算,根據(jù)NASA的報道,僅用7天時間就完成了2863種CART3D計算。
CART3D具有的主要優(yōu)勢是方便、快速和可靠。只需要封閉的部件表面網(wǎng)格,程序自動進行部件相交提取模擬的外部濕表面。然后就可以自動形成空間笛卡爾網(wǎng)格。它求解歐拉方程,具有優(yōu)異的并行性能(512個CPU加速可達496倍)。250Mhz Mips R10000的SGI Origin 2000上32個CPU計算52.5萬網(wǎng)格的跨音速機翼只需要90秒。能夠進行攻角、馬赫數(shù)、側(cè)滑角批處理計算。因此它非常適于氣動數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建,支持預研設(shè)計和虛擬飛行。
CART3D并行CPU數(shù)與加速性的關(guān)系批處理計算得到氣動特性響應面
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1.2.方案設(shè)計階段
方案設(shè)計階段的基本內(nèi)容
方案設(shè)計階段首先根據(jù)設(shè)計要求,并在概念設(shè)計的基礎(chǔ)上,進行多種氣動布局方案的對比和研究。飛行器氣動布局設(shè)計的主要工作在方案設(shè)計階段完成。
方案設(shè)計階段的主要工作有:修改、補充和完善飛機的幾何外形設(shè)計,將氣動、結(jié)構(gòu)設(shè)計方案具體化。進行比較精確的氣動力性能、操縱性、穩(wěn)定性的計算,還要有大量的風洞試驗等等。
方案設(shè)計階段中需要的氣動分析
在這個階段需要大量精確的氣動計算。精確的氣動計算越多,就可以減少更多的風洞試驗。就更有利于縮短研制周期、降低費用。氣動分析需要穩(wěn)健的求解器,強勁快速的網(wǎng)格生成工具,以及求解器高效的并行處理功能。準確的氣動分析對網(wǎng)格生成器的要求是:
良好的CAD接口功能,對復雜CAD模型的修補、處理功能;
大型復雜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分功能(要求包括所有網(wǎng)格類型),并具有豐富的網(wǎng)格質(zhì)量判斷,網(wǎng)格編輯調(diào)整功能。
ANSYS公司的 ICEM CFD是CFD市場上最負盛名的網(wǎng)格生成工具,最適合于航空工業(yè)對高精度、高效、大規(guī)模計算網(wǎng)格劃分的需要。在航空工業(yè)界ICEM CFD有著廣泛的應用。下面是它的一些特點:
能夠?qū)胨兄髁鰿AD軟件的模型,并且與CAD有雙向參數(shù)接口。
具有優(yōu)異的Octree、拓撲雕塑網(wǎng)格劃分技術(shù),包括所有網(wǎng)格類型,非常適合于大型復雜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格生成。
豐富的網(wǎng)格編輯功能。具有網(wǎng)格的光滑、劈分、合并、細化、粗化、轉(zhuǎn)換功能
輸出多達110種CAE求解器格式,包括全部的主流CFD和FEA求解器,例如CFX、ANSYS等?？梢宰鳛镃FD的前后處理通用平臺。
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有了良好的網(wǎng)格生成工具是不是就萬事大吉了呢?遠不是如此。還需要強大的求解器來獲得準確的模擬結(jié)果。氣動分析對求解器的要求是:
ü具有復雜氣動模擬適用的湍流模型;
ü高效可擴展的并行計算功能;
ü激波、漩渦、分離等復雜現(xiàn)象的捕捉;
ü自適應網(wǎng)格求解。
ANSYS CFX是新一代的計算流體軟件。利用90年代(特別是96年以后)以來的最新計算流體力學技術(shù),采用基于有限元的有限體積方法,其并行求解速度、穩(wěn)定性、收斂性等技術(shù)達到了氣動分析的新高度。完全可以滿足航空工業(yè)氣動分析的高標準要求。它具有下列特點:
üCFX在數(shù)值方法同時利用了有限元與有限體積法中的優(yōu)點,具有更高精度;
üCFX有高精度的數(shù)值處理格式,它是CFD業(yè)界中唯一以二階精度格式作為缺省值的軟件;
üCFX是率先采用全隱式耦合多重網(wǎng)格求解技術(shù),使CFD求解穩(wěn)健而迅速地收斂。并具有先進的自適應網(wǎng)格求解功能;
üCFX優(yōu)異的并行計算功能,單CPU計算和并行計算收斂曲線相同;
ü豐富而適用的湍流模型(包括SST,LES,DES等等)。
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2.飛機研制的具體特點及其氣動分析
2.1.機翼的氣動分析
機翼是影響飛機性能的最重要部件,飛機的升力特性基本由機翼確定。對飛機的阻力也有很大的影響。
飛機上常用主翼和前后緣襟翼組成的多段翼作為增升裝置。起飛、降落時,需要大的升力系數(shù),此時飛行迎角較大,同時,襟翼偏轉(zhuǎn)角也較大,因此,在翼段上可能出現(xiàn)分離。迎角再大時,分離嚴重,會出現(xiàn)失速現(xiàn)象。利用ANSYS CFD產(chǎn)品可以方便地計算在各種襟翼配置下達到失速迎角或超過失速迎角時的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和俯仰力矩系數(shù)等。這主要歸結(jié)為ANSYS CFX具有先進的預測分離流的SST湍流模型、自動壁面函數(shù)處理及其優(yōu)異的全隱式耦合求解器。
利用ANSYS CFD可以進行機翼的跨音速氣動模擬,能夠精確捕捉激波,并且計算結(jié)果與試驗結(jié)果符合得很好。參見直機翼的密度等值圖和壓力系數(shù)計算與試驗的對比結(jié)果圖。
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ANSYS CFX對多段翼的模擬。計算的攻角為4度。下面給出不同截面的結(jié)果,并與試驗結(jié)果進行了對比。從其與試驗的對比說明ANSYS CFX完全適合多段翼各種工況下的模擬。
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2.2.進氣道的氣動分析
發(fā)動機要求進氣道要以高的效率向其提供足夠的空氣。目前,對戰(zhàn)斗機機動性的要求越來越高,出現(xiàn)了進氣道系統(tǒng)與發(fā)動機的相容性問題,需要對進氣道與機體進行綜合設(shè)計。對進氣道設(shè)計的要求是提高出口總壓恢復系數(shù),減少出口流場畸變,減小阻力。氣流在進氣道內(nèi)的壓縮、膨脹、反射等的過程中,出現(xiàn)激波反射、流動分離等復雜現(xiàn)象,這種現(xiàn)象的模擬需要具有自適應網(wǎng)格求解功能及其準確湍流模型。從下面的應用實例可以看出,應用ANSYS CFX自適應網(wǎng)格及其準確湍流模型后,激波的位置和形狀能被很好地捕捉。另外從噴管噴流例子中可以看出ANSYS CFX對噴流激波馬氏盤的準確模擬。
圖6-2-10噴管出口馬赫數(shù)為1,噴流的激波馬氏盤
圖6-2-11進氣道內(nèi)外流自適應網(wǎng)格求解馬赫數(shù)結(jié)果,可以看到采用自適應網(wǎng)格求解得到局部準確的結(jié)果
2.3.飛機總體的氣動分析
航空飛行器包括常見的軍用殲擊機、轟炸機、偵察機、運輸機、直升機,以及民用的旅客機、貨機等。各種飛機有各自不同的要求。例如軍用戰(zhàn)斗機強調(diào)高度機動性,滿足大迎角狀態(tài)下的氣動特性。而民航客機強調(diào)的是安全性和經(jīng)濟性。歸結(jié)為一點,在研制過程中都追求用更多的氣動分析來代替試驗,降低研制成本,縮短研制周期。
為了滿足這樣一個共同的目標就需要準確可靠的氣動分析程序。在飛機研制中的常見氣動分析,例如大迎角分離流動,亞、跨、超音速全機氣動力計算,多段翼地氣動計算,翼身-掛架-外掛的跨音速小擾動計算,翼身組合體跨音速全速勢方程計算,進排氣系統(tǒng)的內(nèi)流計算等等,都可以利用ANSYS CFD進行準確的模擬。
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圖6-2-16 F-22跨音速戰(zhàn)斗機氣動模擬
通常的CFD軟件將升力計算準確一般沒有問題,但將阻力計算準卻往往很難。經(jīng)AIAA阻力研討會證明ANSYS CFX可以進行包括阻力在內(nèi)的準確氣動力預測。2003年由AIAA發(fā)起第二屆AIAA阻力預測研討會,目的是評定當前主流的CFD軟件預測復雜飛行器氣動性能的可信度,對當前的RANS求解器進行公正的評價。研討會取的計算模型為DLR-F6,是典型的雙發(fā)寬體客機,要求計算帶發(fā)動機和不帶發(fā)動機兩種情況。設(shè)計點為馬赫數(shù)為0.75,升力系數(shù)為0.5,雷諾數(shù)為3E6,風洞試驗是1993到1996年在ONERA S2MA壓力風洞中進行的。模型用支架安裝在跨音速段,馬赫數(shù)變化范圍為0.6到0.8。
氣動計算基于兩種工況。第一種工況為單一網(wǎng)格細化研究DLR-F6有及其沒有發(fā)動機吊艙,要求粗、中等到細三種網(wǎng)格,第一種工況總共六次模擬。第二種工況為有及其沒有發(fā)動機使用兩種工況最合適的網(wǎng)格計算了飛機的極曲線。飛機極曲線要求的攻角為3°,-2°,-1.5°,-1.0°,0.0°和1.5°。
CFX-5采用基于有限元的有限體積法。離散方程使用Raw提出的耦合代數(shù)多網(wǎng)格方法進行求解。動量方程中的雷諾應力通過SST二方程湍流模型和自動壁面函數(shù)計算。試驗與CFX-5計算的最大誤差在沒有發(fā)動機時為3.2%,有發(fā)動機時是5.5%。這兩種工況預測的升力和阻力隨著網(wǎng)格的細化,結(jié)果更接近試驗值。帶有和不帶有發(fā)動機的升、阻力系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)與試驗都符合得很好,這是令人鼓舞的。而其它軟件則是升力一般符合得較好,而阻力和俯仰力矩則與試驗差別較大。下面是CFX計算的網(wǎng)格模型及其結(jié)果。
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2.4.飛機投彈的氣動分析
飛機外掛導彈或油箱的發(fā)射和投擲過程,存在著兩個關(guān)鍵的問題:一是在開始階段不能與機體發(fā)生碰撞;二是在武器投放的過程中,特別是在開始階段,不能有太大的擾動,保持軌跡的穩(wěn)定性和命中精度。這兩個要求能否滿足,主要取決于投放時外掛上的氣動載荷和外掛周圍的飛機流場狀態(tài)。而這又取決于外掛的位置及其氣動外形。準確預測的關(guān)鍵是要首先計算投擲部件的升力、阻力、側(cè)向力、俯仰力矩、偏航力矩等,根據(jù)這些氣動載荷以及外力,由六自由度剛體運動的牛頓-歐拉方程計算出下一時刻的位置,程序自動劃出該時刻的網(wǎng)格。接著重新計算氣動力,如此反復完成整個投放過程的計算。CART3D投擲特點是采用了笛卡爾網(wǎng)格,快速強勁,并能自動進行網(wǎng)格和位置的更新(有ICEM CFD強大的網(wǎng)格支持),給出投擲的軌跡。ANSYS CFD產(chǎn)品可以準確預測投彈和分離過程,可以應用于導彈、火箭助推器分離、吊艙、座艙罩等的投擲。
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2.5.氣彈顫振的模擬
氣彈分析是飛行器研制過程中必須考慮的問題。氣動力和彈性變形的交互作用就是氣彈效應。氣彈問題有三種:操縱面反效、機翼發(fā)散和顫振。對于顫振問題在方案設(shè)計中用剛度等參數(shù)控制,然后靠計算和風洞試驗校驗。ANSYS系列產(chǎn)品可以進行顫振的預測。氣彈分析采用邊界元方法進行求解,計算快速準確。
意大利PIAGGIO宇航工業(yè)公司對個人公務飛機兩種不同尾翼形狀(V形和水平)的氣彈響應模擬并進行了對比。
組圖6-2-27
ANSYS 計算得到的三種情況的顫振速度。
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測試的類型 |
顫振速度[m/s] |
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單獨T形尾翼 |
800 |
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T-型尾翼加后機身 |
250 |
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V-型尾翼加后機身 |
192 |
3.航天領(lǐng)域的氣動分析
航天領(lǐng)域氣動分析的特點是通常會有高馬赫數(shù),強激波,氣動加熱等現(xiàn)象。ANSYS CFD產(chǎn)品在航天飛機、導彈等航天器的氣動分析中有著廣泛的應用。
導彈是區(qū)別于飛機的另一類型飛行器,通常具有多翼面細長體外形,多在超聲速,高超聲速下飛行。飛行迎角往往可達30°~40°?，F(xiàn)代導彈更強調(diào)具有小操縱面和高機動性,因而導彈的繞流流場也很復雜、包含激波、邊界層分離、旋渦、強非定常等物理現(xiàn)象及這些現(xiàn)象間的相互作用。
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對導彈某些氣動狀態(tài),如高超聲速飛行、大迎角、彈頭彈體分離、子母彈拋撒等,用風洞試驗難以研究,而用數(shù)值模擬方法分析研究則遠比風洞試驗方法要經(jīng)濟快速。
哥倫比亞號航天飛機絕熱泡沫碎片脫落軌跡,發(fā)射后從燃料箱外部脫落打到左機翼上。哥倫比亞號事故調(diào)查委員會(CAIB)證實類似碎片是哥倫比亞號遇難的最有可能的原因。該圖形被引用在CAIB最終報告中。
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利用ANSYS CFD進行鈍頭體進行高超音速氣動模擬。鈍頭前端氣動加熱結(jié)果試驗與計算差別在9%以內(nèi)。
4.氣動載荷傳遞給結(jié)構(gòu)分析過去氣動與結(jié)構(gòu)計算獨立進行,氣動計算結(jié)果很難為結(jié)構(gòu)計算所用,包括壓力、溫度等。往往需要人工編程來進行氣動到結(jié)構(gòu)載荷的插值傳遞,這樣做首先是結(jié)果的精度有損失,并且耗費大量時間和人力。而現(xiàn)在ANSYS CFD產(chǎn)品徹底突破了這一限制。CFX與ANSYS的耦合分析可以一步實現(xiàn)從氣動載荷到結(jié)構(gòu)的傳遞。解決了困擾航空工業(yè)界工程師多年的載荷傳遞的問題。 ANSYS與CFX耦合綜合了ANSYS在結(jié)構(gòu)方面、CFX在氣動分析方面的優(yōu)勢,必將對航空工業(yè)研制手段的更新產(chǎn)生積極而深遠的影響。對這一部分有興趣的朋友,請關(guān)注ANSYS 公司后續(xù)的解決方案。
CFX氣動分析結(jié)果氣動載荷的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果 圖6-4-1ANSYS 流固耦合分析 |
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