虛擬流體試驗(yàn)環(huán)境

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1、虛擬流體試驗(yàn)環(huán)境1、虛擬流體試驗(yàn)環(huán)境簡介和必要性虛擬流體試驗(yàn)環(huán)境是隨著近年來仿真計(jì)算技術(shù)的高速發(fā)展，以及大規(guī)模計(jì)算硬件設(shè)備的發(fā)展而誕生的一項(xiàng)嶄新的仿真技術(shù)，通過建立真實(shí)風(fēng)洞的仿真模型，或者建立虛擬的大空間風(fēng)洞仿真模型，進(jìn)行飛行器的計(jì)算流體力學(xué)仿真分析，得到氣動升阻力、噪聲、熱管理、脈動壓力等等物理量計(jì)算結(jié)果，從而達(dá)到測試所研究對象的流體動力學(xué)性能的目的。由于虛擬流體試驗(yàn)環(huán)境不受環(huán)境、空間和功率限制，理論上可以拓展到非常廣大的空間，把真實(shí)風(fēng)洞的阻擋效應(yīng)降到最低，因而可以真實(shí)地反映飛行器和地面交通工具在開放空間的飛行/行駛狀態(tài)，無需作任何的修正，因此今年來在發(fā)達(dá)國家的航空航天領(lǐng)域得

2、到了迅速的發(fā)展。和真實(shí)風(fēng)洞相比，虛擬流體試驗(yàn)環(huán)境所提供的一系列方便性與優(yōu)越性是現(xiàn)在的真實(shí)風(fēng)洞所無法企及的，其中包括：1)風(fēng)洞的阻擋效應(yīng)被降到最低，真實(shí)反映開放空間的飛行/行駛狀態(tài)虛擬風(fēng)洞的阻礙率可以低到0.1%以下，這相當(dāng)與噴嘴出口面積為2000m2的真實(shí)風(fēng)洞的阻礙率，從而最大程度上還原和反映開放空間的飛行或行駛狀態(tài)，更準(zhǔn)確地模擬了飛行器的流體動力學(xué)性能。2)輕松實(shí)現(xiàn)全尺寸、全細(xì)節(jié)模型的仿真，性能分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化在真實(shí)風(fēng)洞中，受空間所限，經(jīng)常需要對縮比的模型實(shí)施風(fēng)洞試驗(yàn)，在通過相似準(zhǔn)則，得到真實(shí)比例模型的性能參數(shù)。由于加工的復(fù)雜程度，縮比模型相比全尺寸模型會有些偏差，尤其是全尺寸

3、模型中的一些微小的結(jié)構(gòu)，如縫隙和空腔，在縮比模型的制作過程中會有所偏離。而這些小的細(xì)節(jié)往往會對流場結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。與之相對的，在虛擬風(fēng)洞中可以完全不受空間和模型加工條件的限制，對全尺寸模型實(shí)施性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。1)通過零件和特征識別阻力和升力的影響在真實(shí)風(fēng)洞試驗(yàn)中，得到的往往是全模型總體的力、力矩的結(jié)果，如果想辨認(rèn)出模型中某個區(qū)域或者某個組件的受力情況是非常困難的，而從總體的結(jié)果中很難得知模型中的哪些區(qū)域才是優(yōu)化的方向和重點(diǎn)，并且如果實(shí)施了一次局部改動，只能根據(jù)總體的改進(jìn)效果來判斷其有效與否，這樣很可能造成一些有潛力的改型方案被輕易否決掉了。而在虛擬風(fēng)洞中，我們可以通過仿

4、真手段，在后處理分析中得到詳細(xì)的模型各個區(qū)域和各個零件對力和力矩的貢獻(xiàn)，從而對局部區(qū)域和單獨(dú)的零件進(jìn)行優(yōu)化分析，逐步達(dá)到優(yōu)化整體性能的目的。2)對仿真模型可快速優(yōu)化，無需等待零件制造的周期虛擬風(fēng)洞試驗(yàn)的另一優(yōu)勢就在于它的周轉(zhuǎn)時(shí)間可以非常短，無需等待模型的更改和新模型的制造。通過仿真軟件和優(yōu)化軟件，可以同時(shí)實(shí)施試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析（DOE），在參數(shù)空間內(nèi)分析和尋找到最優(yōu)化的參數(shù)組合，得到性能最佳的設(shè)計(jì)方案。這一切工作都可以在較短的時(shí)間和較少的資源消耗下完成。3)每一次運(yùn)行例如表面壓力、油流、全部流場數(shù)據(jù)和聲學(xué)分析時(shí)可同時(shí)獲得詳細(xì)測試數(shù)據(jù)虛擬風(fēng)洞試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)的翔實(shí)程度也是真實(shí)風(fēng)洞所無

5、法比擬的。在一次虛擬風(fēng)洞試驗(yàn)中，可以得到全空間中上億的觀測點(diǎn)處的全部物理量的測量結(jié)果，這對于真實(shí)風(fēng)洞來說是不可想象的。同時(shí)，包括表面壓力、油流、流場和聲學(xué)的數(shù)據(jù)也可以同時(shí)得到，一次虛擬風(fēng)洞試驗(yàn)，相當(dāng)于至少作了一次外流場試驗(yàn)和一次噪聲試驗(yàn)，豐富的測試數(shù)據(jù)為工程師和設(shè)計(jì)師分析結(jié)果和優(yōu)化性能提供了大量的信息廣闊的思考空間。下圖為虛擬流體試驗(yàn)環(huán)境與多種真實(shí)風(fēng)洞測試的能力對比：風(fēng)洞特征虛擬風(fēng)洞全尺寸外流場風(fēng)洞全尺寸外流場風(fēng)洞縮比例外流場風(fēng)洞環(huán)境艙力平衡◎◎◎◎○流場可視化（煙氣）◎◎◎◎◎流場測量（速度、溫度、壓力）◎○○○○油流◎◎◎◎◎表面測量（速度、溫度、壓力）◎○○○－時(shí)間相關(guān)的

6、數(shù)據(jù)◎○○○－表面載荷（從結(jié)構(gòu)軟件導(dǎo)入）◎－－－－零件或特征的體積力◎－－－－聲學(xué)噪聲源◎○○－－換熱系數(shù)◎－－－－圖例：◎通常可用；○視情況可用；－通常不可用1)有效節(jié)省費(fèi)用和成本通過虛擬風(fēng)洞節(jié)省費(fèi)用的途徑包括：減少物理樣機(jī)，減低所需的試驗(yàn)次數(shù)，避免重建和升級真實(shí)風(fēng)洞的花費(fèi)；對流體的分析更有前瞻性，仿真分析可以不間斷地進(jìn)行，工程師的時(shí)間更多地花在分析結(jié)果上而不是建模和數(shù)據(jù)收集上，直觀生動的結(jié)果可視化形式可以同時(shí)對多個模型進(jìn)行分析，在圖像上查看、對比結(jié)果，發(fā)現(xiàn)影響空氣動力學(xué)性能和氣動噪聲的部件和有問題的區(qū)域；在設(shè)計(jì)早期就可以證實(shí)樣機(jī)滿足標(biāo)準(zhǔn)；從而縮短設(shè)計(jì)周期，并使設(shè)計(jì)更具有競爭

7、力、質(zhì)量更好；2、虛擬流體試驗(yàn)環(huán)境建設(shè)目標(biāo)l建立起虛擬流體試驗(yàn)環(huán)境，滿足三院所有飛行器能夠以全尺寸進(jìn)行虛擬流體試驗(yàn)；l虛擬流體試驗(yàn)所采用的CAD模型為無需簡化的全細(xì)節(jié)CAD模型，以保證虛擬試驗(yàn)的結(jié)果完整性；l虛擬試驗(yàn)的準(zhǔn)確度控制在1%-3%的誤差范圍內(nèi)；l虛擬試驗(yàn)環(huán)境支持飛行器的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；l整彈虛擬流體試驗(yàn)網(wǎng)格生成時(shí)間在2小時(shí)以內(nèi)，單工況仿真計(jì)算時(shí)間在8小時(shí)以內(nèi)，優(yōu)化一次時(shí)間控制在2小時(shí)以內(nèi)；l優(yōu)化完畢的飛行器結(jié)構(gòu)能夠支持輸出成為CAD模型；l虛擬流體環(huán)境能夠計(jì)算外流場、熱管理