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计算航空航天和计算流体力学的发展与未来

关键词:CFD 技术 航空航天 流体力学

时间:2022-02-15 10:28:29      来源:网络

从核心数值算法开始,计算仿真的不断发展面临着众多挑战。这些算法最初基于有限差分,逐渐演变为有限体积,如今,人们对(在结构力学中占主导地位的)有限元技术产生了浓厚的兴趣。求解器算法已经从中心差分发展到迎风格式,再发展到矢通量分裂,现在已经发展到通量差分裂以及 Riemann 求解器。

故事的开端是“翼型”。具体来说,1968 年,有一点变得显而易见:人们需要使用新的工具来设计重中之重的翼型和机翼。今天,要想通过仿真获取飞机认证,以及保持每架飞机和飞机部件(即“数字孪生”)的精确数字形式,都需要严肃认真的规划。研究计算航天学,尤其是研究计算流体力学 (以下简称 CFD) 在过去几十年间的演变将会对未来发展大有裨益。

由于本文的篇幅限制,我们无法做到详尽无遗地阐述整个历史,但我们将指出 CFD 如何继续发展,成为科学领域中与理论和实验并存的第三个重要支柱1。

数十年来的 CFD 发展历史

20 世纪 70 年代的 CFD

标志着应用 CFD 的发展拉开序幕的一个伟大里程碑是 1974 年 Antony Jameson 开发的用于 3-D 后掠翼设计的 FLO22 代码2(其前身 1-21 的开发始于 1970 年)。FLO22 从根本上改变了若干家企业的机翼设计,由于准确度高,计算速度相对较快,至今仍在使用。


图 1:1976 年的地面试验、飞行试验和 FLO-22 CFD 的运输机翼截面升力分布的手绘对比图。图片来自参考文献 2,经作者许可使用。

20 世纪 80 年代的 CFD

上个世纪 80 年代是 CFD 的繁荣时期,前期的基础发展孕育了出色的软件,政府实验室、学术界和工业界乃至整个航空航天业都在 CFD 软件开发中(主要是内部开发工作)做出了重要的贡献(参见参考文献 3 中的示例)。

而当时的计算流体力学方法主要是基于结构化的六面体网格,同时已经高度重视交付飞机性能数据。这些早期的工具还暴露了使 CFD 成为实用工具的一些障碍:复杂的几何形状、过多的网格划分时间以及“图形诅咒”,后者让 CFD 获得了一个具有贬义的昵称:“多彩的流体动力学”。

20 世纪 80 年代中期,NASA 高级超级计算 (NAS) 部门(最初名为“数值空气动力学模拟”)在 NASA Ames 研究中心成立,证明了 CFD 技术的巨大潜力,NAS 作为 CFD 开发的领导中心也同时声名鹊起。

20 世纪 90 年代的 CFD

上个世纪九十年代,CFD 很大程度上已经过渡为商业化软件服务(当然并没有完全商业化)。截至 2015 年,CFD 的商业市场总收入就已超过 10 亿美元4。其实这并不令人感到意外,因为与依靠政府提供资金支持相比,商业化更能应对 CFD 软件不断增长的需求,包括支持从台式机到超级计算机的计算硬件、编写文档以及为成熟代码提供用户支持、资助没有提供资金支持的研究类型(要么是因为项目性质过于关注实用性,要么是因为当时没有为此制定预算)。

CFD 软件在同一时期也开始了从结构化网格到非结构化网格的跋涉,后者有望解决人们经常提到的网格划分时间问题。

2000 年以后的 CFD

CFD 在这一时期变得广为人知,这要得益于波音和空中客车公司对该技术的成功运用,他们通过应用 CFD 技术使得风洞测试大大减少(波音公司减少了 50%),并且还把 CFD 广泛应用在最新的飞机部件上(远不仅仅在翼型和机翼上)。

不过尽管取得了这些成功,CFD 在 21 世纪的最初几年仍停滞不前,主要还是依赖于 20 世纪 80 年代和 90 年代开发的技术5,这限制了 CFD 的应用范围。当时普遍认为一些流场的类型超出了 CFD 的能力范围(换言之,对于这些流场而言,测试至关重要),这其中包括旋翼飞机、高升力系统等等。人们对高超音速飞机的关注越来越多,但由于难以获得地面和飞行测试数据,这将需要严重依赖 CFD。

CFD 技术

从核心数值算法开始,计算仿真的不断发展面临着众多挑战。这些算法最初基于有限差分,逐渐演变为有限体积,如今,人们对(在结构力学中占主导地位的)有限元技术产生了浓厚的兴趣。求解器算法已经从中心差分发展到迎风格式,再发展到矢通量分裂,现在已经发展到通量差分裂以及 Riemann 求解器。

求解的流体方程的形式变得更加复杂,从势流和无粘的流动演变成薄层 Navier-Stokes (N-S) 方程及抛物线化 N-S 方程,再到雷诺平均 N-S 方程,每一步改进仿真的保真度都有所提高。湍流建模继续困扰着 N-S 求解器,而 Spalart-Allmaras 模型是其巅峰。同时,研究者们还继续努力进行湍流的直接模拟,并在大涡模拟 (LES)、分离涡模拟 (DES) 和直接数值模拟 (DNS) 中进行了大量新研究,以提供无模型的逼真度,从而为在飞机性能范围边界(即分离流)附近的模拟提供高精度的 CFD 模拟。

对于以上和其他与 CFD 技术发展有关的问题,美国航空航天学会 (AIAA) 召开了一系列研讨会,在评估技术现状和指明未来方向方面发挥了积极作用。这些研讨会最初讨论的是阻力预测,随后是高升力预测、几何和网格生成、音爆预测、激波边界层相互作用、机体噪声和气动弹性(未按顺序排列)。


图 2:在 F-35 Lightning II 的设计过程中,相继进行了计算(上图)和试验(下图)6,图片经作者许可使用。

CFD 的未来

放眼未来,目前有两项工作为 CFD 在航空航天领域的发展指明了道路。NASA 在 2014 年发布了《2030 年 CFD 愿景研究》,引起了 CFD 业界的关注。该研究由 NASA 资助,由一个蓝带专家小组撰写,旨在预测及制定相应策略,以期到 2030 年实现可以自动执行、控制不确定性、计算速度快并且可以进行跨学科研究的 CFD 应用7。到 2030 年,CFD 的应用将包括在整个飞行包线内进行全机模拟、涡轮风扇发动机的瞬态模拟、先进飞行器的多学科优化以及动力空间通道。

ASSESS 倡议8进一步提升了《2030 年 CFD 愿景研究》对工程仿真软件自动化和可信赖性的期望,该倡议来自一个多行业、多主题的团体,致力于提高工程仿真软件的可用性和实用性,并以实现商业目标为明确重点。ASSESS 的范围比 CFD 更广,它响应了《研究》中关于普及化的主题中对自动化的呼吁,以及关于可信度的主题中对不确定性量化的呼吁等等。

就在前不久,取得了另一项激动人心的进展。AIAA 建立了一个对所有人开放的兴趣社区,以“认证/资格分析”(CQbA) 为主题,其特定目标是减少验证飞行测试的成本。在这里,我们看到了计算和飞行测试这两个学科实现了融合,过去它们在并行路径上发展了近五十年之久。

在一定程度上,CQbA 可能被视为解决了 1915 年 NACA 的第一份年度报告9中记录的一个长达一个世纪之久的目标。该报告把“将从设计数据中确定飞机稳定性的分析方法简化为实用的形式,而不必进行风洞试验或大型试验”这一目标设定为“紧急重要”级别。尽管这一长期追求的目标值得称赞,但 Richard Feynman 告诫道,不要对模拟和测试采取“非此即彼”的立场10:“希望不使用数学方法来分析自然界的人只能获得一知半解。”然而,正如《美国航空航天》的一篇文章中所指出的那样11:我们的数学局限性正是地面和飞行测试仍将与 CFD 相互依赖的原因所在。

计算航空航天可能是从翼型开始的,但是它已经演变成一套工具,极大地且不可逆地改变了飞机的设计方式。这些工具和方法已经足够成熟,并且为我们带来了足够的信心来减少测试的数量和成本,从而可以更快地将更好的产品推向市场。

来源:Cadence楷登PCB及封装资源中心

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