CFD在大型客机气动设计中的应用技术探讨

白文

摘  要：阐述关于CFD和风洞实验数据可比性的一些新认识，指出在将CFD计算结果与风洞实验数据进行比对时应考虑的一些问题；结合对AIAA阻力预测工作会议数据的分析，给出两个与风洞数据不一致但是本身是合理的CFD计算案例；介绍国内外高升力CFD预测研究活动和初步计算结果，建议设立专项，组织全国力量，针对NASA高升力标准模型TrapWing开展系统研究；推荐一种非常有应用潜力和竞争力的大型客机气动布局方案，即跨声速小后掠机翼布局，这种经典机翼概念的再次提出、翻新和可行性论证很大程度上得益于高保真度CFD和优化设计工具的大量和精细化应用。

张贴本人拙作的目的有下面几个：
1、抛玉引砖，意思是抛出一个东东等着挨砸，但愿有人砸，不然就无趣了；
2、抛砖引玉，相信有更好的研究成果；
3、为航空高可信CFD开放式研究活动增加一点人气；
4、为我看好的流体中文网锦上添花。

很遗憾刚才试了一下，附件大于论坛限制，稍后处理后再发。

[ 本帖最后由 白文 于 2009-11-27 23:56 编辑 ]

周华

可以分卷压缩成2M大小的再发。

白文

共2个WinRAR文件，解压后为一个pdf文件。

周华

刚看了一遍论文，有一个问题：为什么压力分布准的时候阻力系数反而不准？按理说压力分布不仅决定升力、阻力由压力产生的分量，同时对边界层性态也有很大影响，很大程度上决定了粘性阻力的大小，怎么压力分布算的准的时候阻力系数反而会不准呢？

白文

原帖由 周华 于 2009-12-1 09:12 发表

                               
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刚看了一遍论文，有一个问题：为什么压力分布准的时候阻力系数反而不准？按理说压力分布不仅决定升力、阻力由压力产生的分量，同时对边界层性态也有很大影响，很大程度上决定了粘性阻力的大小，怎么压力分布算的准的 ...

出现这种情况的主要原因十有八九应该是CFD计算模型和风洞试验模型不一致。论文中的计算数据全部是全湍流计算结果，而风洞试验模型是贴了转捩带的。因此，论文中反复强调在确认CFD计算时，要直接计算风洞模型，而不是目前CFD实践中通常采用的所谓飞行模型。

需要继续研究。

xrs333

原帖由 白文 于 2009-12-1 12:49 发表

                               
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出现这种情况的主要原因十有八九应该是CFD计算模型和风洞试验模型不一致。论文中的计算数据全部是全湍流计算结果，而风洞试验模型是贴了转捩带的。因此，论文中反复强调在确认CFD计算时，要直接计算风洞模型，而 ...

赞同。这也是是否遵循科学研究的方法问题。实验研究讲求在受控条件下进行科学实验。数值计算同理。有些数值计算结果没有对计算模型的描述，是没有意义的。

通流

拜读白文博士的文章，长了不少见识。我写点我的看法：
（1）名称。可靠性这个词可能对设计人员有点误导。以为，某个CFD程序是可靠的。英文里有best practice。不知中文怎么叫。也就是，在现有条件下，怎么计算可能给出最合理的结果。可能每过几年，这个指南性质的东西都会有更新。
（2）CFD的目标要明确。如对大飞机，重要的是CL,CF与攻角的曲线。因为不同的目标，可能导致不同的计算要求。如要做的是流固耦合，这时候，对网格的要求可能不同。
（3）需要更强调如何得到最接近真实的几何尺寸。
（4）敏感性分析。既然真实的几何尺寸我们不可能得到。模型也有很多的近似，那么能做的就是敏感性分析。这样能提高CFD的结果不会差太多。
（5）鲁棒设计方法。这实际上是在敏感性上做优化。使得结果更合理。

我完全支持实验数据的重要性。特别是，实验的具体条件等，一定要有详细记录。这在NASA的stage37上做的盲评3维CFD时，给大家上了生动的一课。就是因为在进口处有条槽，结果没有CFD程序得到测量到的速度分布。

周华

上面谈的问题其实又回到一个老问题，就是CFD和实验到底哪个可信的问题。业内人士通常喜欢说CFD一半是科学一半是艺术，实验又何尝不是呢？CFD和实验到底哪个可信在很多时候是一个心理问题，就是你觉得哪个可信，哪个似乎就更可信一点，因为实验往往只能满足一两个主要相似准则，而不能满足所有相似准则，所以实验实际上是存在已知的系统误差的一种模拟方法，再加上模型加工误差等人为因素，实验的误差也会让人感到无从把握。这样说虽然有点唯心主义，但是流体系统确实就是如此复杂。我们唯物主义者常常说实践是检验真理的唯一标准，好吧，做CFD的都喜欢拿二维圆柱绕流做标准算例，但是谁能给我一个不带误差的二维圆柱绕流的“实践”标准？所以这种情况下就只能看重复性如何，重复性好的就表明可信度高一些，反映的客观本质更多一些。拿CFD与实验结果对比，与其说是拿仿真结果与真理对比，不如说是看看CFD与实验的重复性如何，要是CFD和实验都显示存在某种趋势，那这种趋势是一个客观存在的几率无疑就大增（这点可以置疑，但感觉上是这样）。也就是说，都是近似，但到底谁更逼真。

白文

原帖由 通流 于 2009-12-2 08:57 发表

                               
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拜读白文博士的文章，长了不少见识。我写点我的看法：
（1）名称。可靠性这个词可能对设计人员有点误导。以为，某个CFD程序是可靠的。英文里有best practice。不知中文怎么叫。也就是，在现有条件下，怎么计算可能给 ...

通流兄的这个回复我是照单全收了。做几点补充说明：
（1）软件应该用成熟度来评估更合适，确实不宜提软件的可信度；
（2）Best Practice Guide（BPG）或者Best Practice Advice之类，中文统一叫做应用指南或者应用规范之类是不是就可以了？我以前老直译作“最佳实践指南”，有点拗口；
（3）还是那个Charles Hirsh教授在牵头做完以建立BPG为目标的QNET-CFD项目后，现在牵头在做一个叫做NODESIM-CFD的欧盟框架计划项目（http://www.nodesim.eu/），目标是要研究所谓的非定值（Non-Deterministic）CFD方法，核心内容也就是参数敏感性分析；
（4）鲁棒设计（Robust Design）或者说Design under Uncertainty无疑是一个更高层次的重点发展方向，这方面南航的唐智礼博士做的比较早。

daxiachina

fluent的湍流模型都是实验总结简化得来的，不知我说的对否。

通流

一半对吧。

从第一个普朗特混合长模型起，紊流模型都是在理论指导下的产物。实验的作用是确定理论中的某些参数。其实，就是从目前的情况看，普朗特的混合长模型还是可以用的。绝大多数的模型只是在混合长的概念下做一些更细致的工作。

Orszag等人用一大堆很复杂的数学，说能直接算出k-e模型中的参数。
我用过的感觉不错的是 v2f 模型。v2f 在靠近固壁处，多了两方程。细节，其实我也不懂。我用它算传热，效果不错。如果你想搞叶片冷却的话，可以试试。

远走高飞

原帖由 周华 于 2009-12-2 02:39 发表

                               
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上面谈的问题其实又回到一个老问题，就是CFD和实验到底哪个可信的问题。业内人士通常喜欢说CFD一半是科学一半是艺术，实验又何尝不是呢？CFD和实验到底哪个可信在很多时候是一个心理问题，就是你觉得哪个可信，哪个似 ...

我有两点个人看法：
1、实验的数据分析相对CFD的数据分析的经验积累要丰富的多，实验的误差分析要远比CFD的误差分析成熟，因此，我觉得不能说“无从把握”。工程师更相信实验数据，不仅仅因为这是实体进行的测试，更重要的是他们对于数据分析有信心。CFD目前缺乏的就是误差分析和控制的经验。
2、谈到一个验证标准的问题。这个是最关键的问题。现在很多人认为CFD可信度就跟实验对比确认。这是很片面的。跟实验对比只是验证很小的一部分。实验不能作为验证的标准。虽然大家现在都这么做，但是是无奈之举。而可重复性也不能解决问题，因为重复性CFD或者实验，只能消除随机误差，并不能消除固有偏差。个人认为合适的方法是应该多种CFD方法和实验比较，取一定的置信度。如果这个置信区间很小，那么我们有理由相信这个结果是可信的。如果这个置信区间很大，那么只能说获得的信息不足以给出结论。

远走高飞

原帖由 白文 于 2009-12-2 04:51 发表

                               
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通流兄的这个回复我是照单全收了。做几点补充说明：
（1）软件应该用成熟度来评估更合适，确实不宜提软件的可信度；
（2）Best Practice Guide（BPG）或者Best Practice Advice之类，中文统一叫做应用指南或者 ...

白博士是这方面的高人了，拜读过白博士的文章。我说点我了解的情况：
1、我觉得虽然真实尺寸是很重要，但完全一致的真实结构和尺寸是很难达到的，而且也是不必要的。我觉得我们现在提出这个要求，其实还跟我们应用CFD的水平相关的。就像周站长说的“CFD一半是科学一半是艺术”，如果CFD已经达到很高的造诣，那对于结构和尺寸的要求就不会这么苛刻。当然，如果真实结构尺寸很容易用到CFD上而且计算量可以接受的话，何乐而不为呢。
2、敏感性分析只是不确定性方法的一部分内容，在NODESIM-CFD里面不能算核心的问题。而且这说的还是广义的敏感性分析。如果单纯就指敏感性分析方法，那估计比重连5%都不到。
3、鲁棒优化在NODESIM-CFD里占了整个一个WORKPACKAGE，总共才5个。唐博士在国内算比较早的，他是跟CIMNE合作的。CIMNE是NODESIM-CFD的一个成员。国际上MIT，NSAS，还有NUMECA都早开始做相关的研究。唐博士做的鲁棒优化属于弱耦合。因为求解器的原因，目前大多数人做的也都是弱耦合。不过NODESIM-CFD里是发展了强耦合的方法，可能NUMECA的下一代FINE/DESIGN3D会用上。

Mclaren

历来实验和CFD都是水火不容啊，比得上倒皆大欢喜，比不上就开始互相倾轧。。。汗。。。。。。

zzqbuaa

不懂您在说什么~我理解能力太差~