一种新的仿真方法在航空航天和国防工业中赢得信誉,是通过艰苦的方式:在业内最苛刻的批评者面前,针对该行业面临的关键挑战问题,公开地与实验数据进行测试。
AIAA高升力预测研讨会
在航空航天计算流体动力学(CFD)的所有基准挑战中,高升力气动特性是最为棘手的挑战之一。当飞机展开襟翼和缝翼进行起飞和着陆时,机翼的几何形状变得极其复杂——多个重叠的表面被狭窄的缝隙隔开,每个表面都会产生各自的湍流尾流,这些尾流又会与其他尾流相互作用。此时,气流高度分离、极不稳定,并且对几何细节极其敏感。传统的基于雷诺平均纳维-斯托克斯方程(RANS)的求解器长期以来一直难以应对这种情况,其得到的流动结构和最大升力预测结果通常与风洞试验结果相差甚远。
PowerFLOW模拟了高升力机翼在失速附近周围的复杂流动结构。
AIAA高升力预测研讨会(HLPW)系列研讨会的设立正是为了揭示这些不足,并推动整个计算流体动力学(CFD)领域的改进。研讨会使用高质量的实验数据,针对标准公开的高升力构型(例如着陆构型的通用研究模型)测试求解器,测试迎角范围涵盖失速迎角及以上,这些迎角定义了飞机的适航裕度。
PowerFLOW自2010年HLPW系列研讨会创办之初便参与其中,并在研讨会旨在强调的特定条件下,始终展现出优于RANS方法的优势,在整个攻角范围内都能准确预测升力、阻力和表面压力。至关重要的是,该方法能够高精度地处理缝翼、主翼片和襟翼之间复杂的间隙流动,捕捉决定最大升力的分离起始和发展过程。更重要的是,对机翼表面流动结构的仔细比较显示出惊人的一致性,证明PowerFLOW不仅能够正确预测阻力和升力值,而且能够通过预测气流的真实物理特性来获得这些积分值。
展示HLPW-4中通用研究模型(CRM)在高升力气动特性预测方面,接近失速状态的准确性:风洞测量的表面流线(左图),PowerFLOW预测结果(右图)。关键流动区域以黄色标记。
在举办高升力预测研讨会的同时,Exa 还参与了其他系列研讨会:AIAA 阻力预测研讨会 (DPW) 系列,其中 PowerFLOW 能够准确预测跨音速巡航阻力,更令人印象深刻的是,它还能捕捉到跨音速抖振的起始点——这种由非定常激波引起的分离定义了可用飞行包线的上限,而 RANS 工具通常会预测错误。此外,AIAA 推进空气动力学研讨会系列探讨了 CFD 在军用喷气发动机进气道(通常是具有复杂流动分离的 S 形管道)方面的应用,PowerFLOW 的非定常模拟再次证明优于目前主流的基于 RANS 的方法。
NASA飞机机身噪声合作十五年
Exa(以及后来的SIMULIA)验证LBM技术的另一项关键策略是与NASA开展长达15年的机身噪声研究合作[4],[5]。从简化的起落架和湾流公务机的比例模型,到大型商用飞机的全尺寸模拟,PowerFLOW在NASA的风洞和飞行试验中,针对机身噪声的各个方面,都得到了系统的验证,并与详细的测量数据进行了比较。这解决了民用和军用航空领域的一个关键问题——社区噪声水平认证。随着涡扇发动机数十年来技术的进步,飞机发动机的噪音越来越低,但起落架、襟翼和进近时的前缘缝翼等机身部件产生的噪声已成为现代飞机社区噪声的主要来源。为了满足未来法规中规定的噪声目标,需要在部件层面了解并降低噪声,而PowerFLOW恰好能够胜任这项挑战。
PowerFLOW 模拟飞机机身噪声的主要来源。
与 NASA 的合作关系不断发展和扩大,目前正在利用模拟技术支持向基于物理的虚拟认证的范式转变,以此作为对飞行测试活动的补充。
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