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CFD分析

概述

1、计算流体力学

目前,流体力学的研究和分析手段分为理论分析、实验研究及数值计算三种。理论分析的方法是在研究流体运动规律的基础上,建立各种简化的流动模型,形成描述流动的各类型控制方程;在一定假设和条件下,经过解析推导及运算,得到问题的解析解或简单解。

长期以来,实验研究一直是流体动力学的主要研究手段,其原理是利用相对运动原理,建立地面实验设备,如水洞、水槽、风洞、激波管等获得相关数据。但是,实验研究一般是在模拟条件下完成的,几乎所有的地面实验设备都不能完全满足所有相似参数、相似定律要求,而且实验除了存在洞壁效应、支架干扰、测量误差等外,还存在高超声速流动中真实气体的非平衡效应等很难模拟的因素,所以实验研究也受到不少限制。一般来说,实验研究周期长、费用高。

计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics),简称CFD。它是利用计算机和数值方法求解满足定解的流体动力学方程,以获得流动规律和解决流动问题的专门学问。计算流体动力学作为一门专门学科,大约是20世纪60年代形成的。现在CFD已深入到与流动有关的技术领域。

计算流体动力学主要研究五个方面的内容:

1)计算机:这是进行流体计算研究必须具备的工具。当今并行计算机已大量出现,它的设计和运行与计算流体动力学的内容有密切关系;

2)网格:在进行流体计算时,把流场划分成网格是必经的步骤,在此基础上,流动方程才可能被离散。现在网格生成已成为一个专门学问,贴体网格生成技术、重叠网格技术、搭接网格技术、结构和非结构混合网格技术等;

3)方法:狭义理解,是指流体动力学方程的求解方法以及定解条件的处理方法。广义说法还包含建立流动方程和定解条件,及形成被计算的数学问题的方法。例如在气体动力学中已发展了有限差分法、有限元法、谱方法和样条函数法;

4)机理:利用CFD解决流动问题,特别是复杂流动问题,给出大量数据,从这大量数据中找出流动机理和规律;

5)做图:把计算结果按需要做出静态的或动态的图形或图像。

2、发展现状

CFD的起源于20世纪初,英国气象学家L.F.Richardson使用离散中心格式模拟流体运动,1928年R.Courant等开创了稳定性研究。

一般可以将求解Euler方程和N-S方程的计算方法分为两个大类:上风格式和中心格式。上风格式及其变种,是今天CFD中应用最广、最受欢迎的方法。1952年,Courant等首先开展了Euler方程的数值计算研究,提出了一阶显式上风格式。1954年,Lax和Friedrichs也发展了线性对流方程的一阶精度计算方法。1959年Godunov发表了以其名字命名的Godunov一阶上风格式,并由此开辟了通过Riemann间断分解的计算来构造CFD格式,这个直到今天仍是CFD的研究重点。

时间推进法的Euler方程的数值计算是CFD的主要内容,这方面里程碑式的工作是Lax等开创的,Richtmyer和Morton等丰富了其内涵。二阶精度、中心差分的显式Lax-Wendroff格式的提出形成了现在CFD的雏形,该格式后来的一系列发展和变种成为现在CFD发展的基石。MacCormack格式成为20实际70年代二维定常流动计算的主角。

20世纪70年代后期至90年代初期,是CFD发展的黄金期。1976年Beam提出的二阶精度隐式中心差分,通过局部线性化方法构造的AF隐式方法。1979年,Van Leer创造性地提出了MUSCL方法,将 Godunov等一阶格式通过单调插值推广到二阶精度,这种“限制器”的差值方法几乎是目前高分辨率格式的通用方法。Steger和Warming及van Leer 分别提出了FVS格式,Steger-Warming格式是将无粘通量矢量按其特征值的符号进行分裂,而van Leer则按当地马赫数进行分裂。Roe和Osher分别提出了不同近似Riemann问题解法的FDS格式,同需要精确求解Riemann问题的原始Godunov方法相比,FDS格式的计算量大大减少了。FDS和FVS格式今天已经成为CFD的主要计算方法。

1983年,Harten等提出了保单调格式的概念,是CFD的又一个里程碑。提出了总变差减小的差分格式-TVD格式。 20世纪90年代,Liu构造的格式是一种FVS与FDS的复合格式。AUSM格式兼有Roe格式的间断高分辨率和van Leer格式计算效率。此外,Jameson等人提出的CUSP格式以及Chang等人提出的时空守恒格式,也受到大家的关注和好评。正是这些著名格式的出现和广泛应用,促使了计算流体力学的发展。

3、CFD的优势

同目前流体力学研究最常用的实验方法比较,CFD的特点是:

1)CFD只使用计算机和CFD软件,所以花费低、周期短、耗散小,这是CFD的突出优势;

2)可以在计算机上方便地改变几何数据和流动条件,因此容易实现各种条件下的流动计算,也不存在洞壁干扰、支架干扰等的限制和影响。

3)可以给出流体运动区域内的离散解,定量给出各个物理量的流动参数,细致描述局部或总体的流场,定量刻画流动的时间变化,任意进行流场重构和诊断分析等。

行业应用

高超声速飞行器空气动力学

高超声速空气动力学时高超声速飞行器研制的基础之一。高超声速飞行器伴随着极高温度,带来一系列复杂流动现象:无粘效应(马赫数效应),粘性效应(雷诺数效应)和高温(真实气体)效应,高空稀薄气体效应。

主要解决的问题:

1)粘性干扰问题

2)高温真实气体效应

3)高升阻比气动布局问题

4)气动热环境与热防护问题

飞机空气动力学与减阻

飞机高升力装置一般由襟翼、缝翼、导流片及其间的多个缝道组成,外形极为复杂,流动受粘性效应的影响严重。

多段翼型复杂流动的状态包含:

1)前缘流线曲率增大对边界层的影响

2)跨音速流动时可压缩性对气流的影响

3)前后缘缝隙流与主流汇合

4)大范围分离流

5)层流分离

6)上表面边界层在逆压梯度下可能发生分离

湍流可以增强边界层内流动动量,推迟分离出现,但是表面摩擦阻力较大;层流边界层内动量小,抵御逆压梯度的能力差,因此提前分离,单表面摩擦阻力也较小。

1)飞机总体布局和一体化优化技术是减少干扰阻力的重要途径;

2)优化机身和发动机舱的形状,选择发动机舱最佳安装位置和吊挂形式,已尽可能减小之间的不利干扰。

3)研究机身/机翼结合部的整流效应及机身尾段布局,减小乃至消除翼身结合部的局部气流分离和机身尾段气流分离。

4)摩擦阻力在总阻力中占有较大比例。对于超声速飞机,一般摩擦阻力占总阻力的25%左右,对亚声速飞机,摩擦阻力可能达到40-50%。减少摩擦阻力的方法主要分为三类:a.采用层流化技术,尽量保持

自然层流流动(NLF);b.被动流动控制(PFC)或叫自然层流控制(NLFC);c.主动流动控制(AFC)。

多种减阻方法:

1)动边界效应;

2)质量引射,减小近壁动量和壁面速度梯度;

3)大涡破碎装置,如网、条带、蜂窝器或其他类型的漩涡调制器;

4)采用纵向V型沟槽或肋条以影响近壁湍流结构;

5)采用高分析添加剂;

6)柔顺壁减阻;

气体热力学分析

飞行器以超高音速飞过大气层时,会与周围的空气产生摩擦,在激波后与边界层区域产生极高温度,在高温区域发生各种化学反应。这些化学反应又影响空气的热动力学特性和输运特性,比如升力、阻力和飞行器的表面温度。因此,必须精确、有效求解气动热化学方程,以便预测粘性的、带化学反应的流动和预测飞行器所受的气动载荷和热载荷。


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