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2013-06-09 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
第六章航空航天气动解决方案航空航天飞行器的研制过程及其需求飞机研制的具体特点及其气动分析航天领域的气动分析气动载荷传递给结构分析
作者: 安世亚太 来源: 安世亚太
关键字: 航空航天 CAE 仿真 解决方案 ANSYS 安世亚太
第六章航空气动解决方案
1.航空飞行器的研制过程及其需求
航空飞行器的研制通常具有周期长、费用高的特点,因此必须按照分阶段逐步推进的方法,才能形成有效的设计过程。当前的研制手段有风洞试验和气动模拟。典型的飞行器的研制包括概念论证设计阶段、方案设计阶段、工程研制、设计定型阶段和生产定型阶段五个过程。这个过程是从初步到具体,不断深化和具体化的过程。
工程研制阶段主要确定飞行器的总体技术方案。在此阶段针对设计方案的更改需要进行一些气动验证分析。
设计定型阶段主要进行定型试飞。对局部更道内外流自适应网格求解马赫数改需要进行少量气动验证。
对生产定型阶段,可能会有一些更改。这一阶段的气动计算很少。
气动分析的工作量和重要性主要体现在概念论证阶段和方案设计阶段。因此下面针对这两个方面进行具体论述。
1.1.概念论证设计阶段
概念论证设计阶段主要研究新飞行器的可行性,对关键新技术进行初步试验验证,包括气动布局的分析和风洞试验。
在这个阶段首先需要确定总体气动布局方案。通常可以选择大量的方案进行对比,研究在不同的马赫数、攻角、侧滑角下整机的气动性能,升力、阻力、俯仰力矩等气动力参数能否达到设计要求,经过充分的论证后,从中选出有足够先进性和实际可行的初步方案,作为进一步的设计基础。这个阶段不可能做大量的风洞试验,因此需要能够快速进行整机性能预测和方案筛选的气动模拟工具。
CART3D是NASA Ames研究中心开发的高可信度快速气动分析软件。专门进行整机气动分析,除了提取部件和整体的气动力外,还可以进行导弹投掷分析。已经在美欧的航空工业界得到广泛而成功的应用。
举一个典型飞行器研制的情况,该飞行器需要考虑30种不同攻角,20个马赫数,5种不同侧滑角,总共有3000种不同的计算状态。这对一般的气动计算,至少需要100000小时的CPU时间。而采用CART3D的并行计算,根据NASA的报道,仅用7天时间就完成了2863种CART3D计算。
CART3D具有的主要优势是方便、快速和可靠。只需要封闭的部件表面网格,程序自动进行部件相交提取模拟的外部湿表面。然后就可以自动形成空间笛卡尔网格。它求解欧拉方程,具有优异的并行性能(512个CPU加速可达496倍)。250Mhz Mips R10000的SGI Origin 2000上32个CPU计算52.5万网格的跨音速机翼只需要90秒。能够进行攻角、马赫数、侧滑角批处理计算。因此它非常适于气动数据库的创建,支持预研设计和虚拟飞行。
CART3D并行CPU数与加速性的关系批处理计算得到气动特性响应面
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1.2.方案设计阶段
方案设计阶段的基本内容
方案设计阶段首先根据设计要求,并在概念设计的基础上,进行多种气动布局方案的对比和研究。飞行器气动布局设计的主要工作在方案设计阶段完成。
方案设计阶段的主要工作有:修改、补充和完善飞机的几何外形设计,将气动、结构设计方案具体化。进行比较精确的气动力性能、操纵性、稳定性的计算,还要有大量的风洞试验等等。
方案设计阶段中需要的气动分析
在这个阶段需要大量精确的气动计算。精确的气动计算越多,就可以减少更多的风洞试验。就更有利于缩短研制周期、降低费用。气动分析需要稳健的求解器,强劲快速的网格生成工具,以及求解器高效的并行处理功能。准确的气动分析对网格生成器的要求是:
良好的CAD接口功能,对复杂CAD模型的修补、处理功能;
大型复杂结构的网格划分功能(要求包括所有网格类型),并具有丰富的网格质量判断,网格编辑调整功能。
ANSYS公司的 ICEM CFD是CFD市场上最负盛名的网格生成工具,最适合于航空工业对高精度、高效、大规模计算网格划分的需要。在航空工业界ICEM CFD有着广泛的应用。下面是它的一些特点:
能够导入所有主流CAD软件的模型,并且与CAD有双向参数接口。
具有优异的Octree、拓扑雕塑网格划分技术,包括所有网格类型,非常适合于大型复杂结构的网格生成。
丰富的网格编辑功能。具有网格的光滑、劈分、合并、细化、粗化、转换功能
输出多达110种CAE求解器格式,包括全部的主流CFD和FEA求解器,例如CFX、ANSYS等。可以作为CFD的前后处理通用平台。
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有了良好的网格生成工具是不是就万事大吉了呢?远不是如此。还需要强大的求解器来获得准确的模拟结果。气动分析对求解器的要求是:
ü具有复杂气动模拟适用的湍流模型;
ü高效可扩展的并行计算功能;
ü激波、漩涡、分离等复杂现象的捕捉;
ü自适应网格求解。
ANSYS CFX是新一代的计算流体软件。利用90年代(特别是96年以后)以来的最新计算流体力学技术,采用基于有限元的有限体积方法,其并行求解速度、稳定性、收敛性等技术达到了气动分析的新高度。完全可以满足航空工业气动分析的高标准要求。它具有下列特点:
üCFX在数值方法同时利用了有限元与有限体积法中的优点,具有更高精度;
üCFX有高精度的数值处理格式,它是CFD业界中唯一以二阶精度格式作为缺省值的软件;
üCFX是率先采用全隐式耦合多重网格求解技术,使CFD求解稳健而迅速地收敛。并具有先进的自适应网格求解功能;
üCFX优异的并行计算功能,单CPU计算和并行计算收敛曲线相同;
ü丰富而适用的湍流模型(包括SST,LES,DES等等)。
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2.飞机研制的具体特点及其气动分析
2.1.机翼的气动分析
机翼是影响飞机性能的最重要部件,飞机的升力特性基本由机翼确定。对飞机的阻力也有很大的影响。
飞机上常用主翼和前后缘襟翼组成的多段翼作为增升装置。起飞、降落时,需要大的升力系数,此时飞行迎角较大,同时,襟翼偏转角也较大,因此,在翼段上可能出现分离。迎角再大时,分离严重,会出现失速现象。利用ANSYS CFD产品可以方便地计算在各种襟翼配置下达到失速迎角或超过失速迎角时的升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数等。这主要归结为ANSYS CFX具有先进的预测分离流的SST湍流模型、自动壁面函数处理及其优异的全隐式耦合求解器。
利用ANSYS CFD可以进行机翼的跨音速气动模拟,能够精确捕捉激波,并且计算结果与试验结果符合得很好。参见直机翼的密度等值图和压力系数计算与试验的对比结果图。
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ANSYS CFX对多段翼的模拟。计算的攻角为4度。下面给出不同截面的结果,并与试验结果进行了对比。从其与试验的对比说明ANSYS CFX完全适合多段翼各种工况下的模拟。
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2.2.进气道的气动分析
发动机要求进气道要以高的效率向其提供足够的空气。目前,对战斗机机动性的要求越来越高,出现了进气道系统与发动机的相容性问题,需要对进气道与机体进行综合设计。对进气道设计的要求是提高出口总压恢复系数,减少出口流场畸变,减小阻力。气流在进气道内的压缩、膨胀、反射等的过程中,出现激波反射、流动分离等复杂现象,这种现象的模拟需要具有自适应网格求解功能及其准确湍流模型。从下面的应用实例可以看出,应用ANSYS CFX自适应网格及其准确湍流模型后,激波的位置和形状能被很好地捕捉。另外从喷管喷流例子中可以看出ANSYS CFX对喷流激波马氏盘的准确模拟。
图6-2-10喷管出口马赫数为1,喷流的激波马氏盘
图6-2-11进气道内外流自适应网格求解马赫数结果,可以看到采用自适应网格求解得到局部准确的结果
2.3.飞机总体的气动分析
航空飞行器包括常见的军用歼击机、轰炸机、侦察机、运输机、直升机,以及民用的旅客机、货机等。各种飞机有各自不同的要求。例如军用战斗机强调高度机动性,满足大迎角状态下的气动特性。而民航客机强调的是安全性和经济性。归结为一点,在研制过程中都追求用更多的气动分析来代替试验,降低研制成本,缩短研制周期。
为了满足这样一个共同的目标就需要准确可靠的气动分析程序。在飞机研制中的常见气动分析,例如大迎角分离流动,亚、跨、超音速全机气动力计算,多段翼地气动计算,翼身-挂架-外挂的跨音速小扰动计算,翼身组合体跨音速全速势方程计算,进排气系统的内流计算等等,都可以利用ANSYS CFD进行准确的模拟。
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图6-2-16 F-22跨音速战斗机气动模拟
通常的CFD软件将升力计算准确一般没有问题,但将阻力计算准却往往很难。经AIAA阻力研讨会证明ANSYS CFX可以进行包括阻力在内的准确气动力预测。2003年由AIAA发起第二届AIAA阻力预测研讨会,目的是评定当前主流的CFD软件预测复杂飞行器气动性能的可信度,对当前的RANS求解器进行公正的评价。研讨会取的计算模型为DLR-F6,是典型的双发宽体客机,要求计算带发动机和不带发动机两种情况。设计点为马赫数为0.75,升力系数为0.5,雷诺数为3E6,风洞试验是1993到1996年在ONERA S2MA压力风洞中进行的。模型用支架安装在跨音速段,马赫数变化范围为0.6到0.8。
气动计算基于两种工况。第一种工况为单一网格细化研究DLR-F6有及其没有发动机吊舱,要求粗、中等到细三种网格,第一种工况总共六次模拟。第二种工况为有及其没有发动机使用两种工况最合适的网格计算了飞机的极曲线。飞机极曲线要求的攻角为3°,-2°,-1.5°,-1.0°,0.0°和1.5°。
CFX-5采用基于有限元的有限体积法。离散方程使用Raw提出的耦合代数多网格方法进行求解。动量方程中的雷诺应力通过SST二方程湍流模型和自动壁面函数计算。试验与CFX-5计算的最大误差在没有发动机时为3.2%,有发动机时是5.5%。这两种工况预测的升力和阻力随着网格的细化,结果更接近试验值。带有和不带有发动机的升、阻力系数、俯仰力矩系数与试验都符合得很好,这是令人鼓舞的。而其它软件则是升力一般符合得较好,而阻力和俯仰力矩则与试验差别较大。下面是CFX计算的网格模型及其结果。
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2.4.飞机投弹的气动分析
飞机外挂导弹或油箱的发射和投掷过程,存在着两个关键的问题:一是在开始阶段不能与机体发生碰撞;二是在武器投放的过程中,特别是在开始阶段,不能有太大的扰动,保持轨迹的稳定性和命中精度。这两个要求能否满足,主要取决于投放时外挂上的气动载荷和外挂周围的飞机流场状态。而这又取决于外挂的位置及其气动外形。准确预测的关键是要首先计算投掷部件的升力、阻力、侧向力、俯仰力矩、偏航力矩等,根据这些气动载荷以及外力,由六自由度刚体运动的牛顿-欧拉方程计算出下一时刻的位置,程序自动划出该时刻的网格。接着重新计算气动力,如此反复完成整个投放过程的计算。CART3D投掷特点是采用了笛卡尔网格,快速强劲,并能自动进行网格和位置的更新(有ICEM CFD强大的网格支持),给出投掷的轨迹。ANSYS CFD产品可以准确预测投弹和分离过程,可以应用于导弹、火箭助推器分离、吊舱、座舱罩等的投掷。
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2.5.气弹颤振的模拟
气弹分析是飞行器研制过程中必须考虑的问题。气动力和弹性变形的交互作用就是气弹效应。气弹问题有三种:操纵面反效、机翼发散和颤振。对于颤振问题在方案设计中用刚度等参数控制,然后靠计算和风洞试验校验。ANSYS系列产品可以进行颤振的预测。气弹分析采用边界元方法进行求解,计算快速准确。
意大利PIAGGIO宇航工业公司对个人公务飞机两种不同尾翼形状(V形和水平)的气弹响应模拟并进行了对比。
组图6-2-27
ANSYS 计算得到的三种情况的颤振速度。
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测试的类型 |
颤振速度[m/s] |
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单独T形尾翼 |
800 |
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T-型尾翼加后机身 |
250 |
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V-型尾翼加后机身 |
192 |
3.航天领域的气动分析
航天领域气动分析的特点是通常会有高马赫数,强激波,气动加热等现象。ANSYS CFD产品在航天飞机、导弹等航天器的气动分析中有着广泛的应用。
导弹是区别于飞机的另一类型飞行器,通常具有多翼面细长体外形,多在超声速,高超声速下飞行。飞行迎角往往可达30°~40°。现代导弹更强调具有小操纵面和高机动性,因而导弹的绕流流场也很复杂、包含激波、边界层分离、旋涡、强非定常等物理现象及这些现象间的相互作用。
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对导弹某些气动状态,如高超声速飞行、大迎角、弹头弹体分离、子母弹抛撒等,用风洞试验难以研究,而用数值模拟方法分析研究则远比风洞试验方法要经济快速。
哥伦比亚号航天飞机绝热泡沫碎片脱落轨迹,发射后从燃料箱外部脱落打到左机翼上。哥伦比亚号事故调查委员会(CAIB)证实类似碎片是哥伦比亚号遇难的最有可能的原因。该图形被引用在CAIB最终报告中。
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利用ANSYS CFD进行钝头体进行高超音速气动模拟。钝头前端气动加热结果试验与计算差别在9%以内。
4.气动载荷传递给结构分析过去气动与结构计算独立进行,气动计算结果很难为结构计算所用,包括压力、温度等。往往需要人工编程来进行气动到结构载荷的插值传递,这样做首先是结果的精度有损失,并且耗费大量时间和人力。而现在ANSYS CFD产品彻底突破了这一限制。CFX与ANSYS的耦合分析可以一步实现从气动载荷到结构的传递。解决了困扰航空工业界工程师多年的载荷传递的问题。 ANSYS与CFX耦合综合了ANSYS在结构方面、CFX在气动分析方面的优势,必将对航空工业研制手段的更新产生积极而深远的影响。对这一部分有兴趣的朋友,请关注ANSYS 公司后续的解决方案。
CFX气动分析结果气动载荷的结构分析结果 图6-4-1ANSYS 流固耦合分析 |
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