CFD 在航空领域的高效案例

　MCAD 建模是航空业标准的工作流程，现在同步CFD 软件也将给航空企业带来诸多好处。在航空产品研发的过程中，涉及到流体流动建模和仿真的应用有数百个之多，其中包括：

　　􀁺 引擎入口，旁通和排气系统

　　􀁺 风道，歧管，过滤器，阀门，喷嘴和泵

　　􀁺 各种水利系统

　　􀁺 燃油系统和油箱

　　􀁺 电子设备冷却系统

　　􀁺 热交换器和散热器

　　􀁺 燃油和空气过滤系统

　　􀁺 乘客座舱通风和热管理

　　􀁺 环境控制系统

　　􀁺 防结冰系统

　　􀁺 排放物控制和减噪系统

　　􀁺 导弹和火箭内外的空气动力学和热交换

　　􀁺 薄膜冷却和动力加热系统

　　􀁺 制动和推力反向系统

　　􀁺 结构表面亚音速和超音速流动

　　􀁺 整个飞机的空气动力学

　　􀁺 例如机翼，机身，发动机舱，推力室，外部天线和风挡刮水器等零部件的空气动力学

         现在我们来看一些现实中证明CFD 高效率的实例，这些实例往往都有研发周期短，品质要求高，成本要求低的特点。

　　案例一：Bell Helicopter 改进油箱设计和节省油箱成本

　　要求

　　Bell Helicopter 是一家为许多商业和军事客户设计直升机的企业。对军事客户设计的直升机需要具有防御功能，以便在各种环境中保护直升机和内部人员。Bell Helicopter 需要一种非常经济的评估方法，用以得到可靠的分析结果指导直升机的设计。

　　Bell 的工程师被要求重新考虑和优化直升机的一个子系统，这个系统将氮气注入到直升机的油箱中，以取代氧气作为燃料的消耗。这样即便油箱被导弹击中，也不会有爆炸的危险。假设直升机处于敌人的火力之下，需要尽可能快的驶离现场，所以注入的氮气必须迅速填充满油箱。

　　在直升机起飞驶离现场之前，飞行员必须等待多长时间?什么时候他或她完全有信心油箱中的气体不会危及飞机的安全?这是一个时间问题，更是一个争分夺秒的问题。

　　通常，这类问题可以通过实际的物理测试得到答案。但测试方法昂贵，并且耗时很长。Bell 公司自身的特点会使测试的费用成倍增加，主要是因为直升机的通风系统是由欧洲的分包商负责，其它涉及的公司员工必须携带昂贵的设备到欧洲进行相关的测试工作。

　　解决方法

　　负责进行评估工作的工程师选择Mentor Graphics 的同步CFD 软件FloEFD 对直升机油箱内部的气体流动特性进行分析。她参考了Bell 评估的详细工作步骤和实际的油箱形状。她从Bell 整合产品团队处获得了初始条件，并且将其作为实体模型的边界条件。在FloEFD 完成网格划分之后(图5)，她对油箱进行了详细了分析，以获得油箱分析的网格独立解。油箱外部的温度对于油箱的状况有非常重要地影响。划分的网格必须能够精确的捕捉到流体流动方面的细小特征。

　　在网格划分和定义完成之后，工程师对模型进行求解并且生成后处理可视化图片(图6)。FloEFD 也可以生成一个氧气浓度随时间变化的图表。

　　结果

　　由仿真结果得到的氧气浓度等值面图表明油箱的某些区域没有足够的气体进口。相应的这个潜在的设计风险被以比实验测试低很多的代价进行证实和解决。其中的一个解决方案就是增加一个辅助的气体再分配喷嘴。如果到了模型测试阶段再发现这个问题，需要解决问题的花费是相当大的，并且有可能延误项目的研发。

　　图 Bell 工程师使用FloEFD 软件划分网格。网格质量影响油箱内流体流动的分析结果。局部的网格加密有助于获得精确的分析结果。

　　在没有专业CFD 分析专家介入的情况下，FloEFD 可以使工程师评估和改进方案设计。及时和精确的FloEFD 分析节省了研发后期设计方案更改的费用。此外，工程师可以解决方案设计中的问题，从而节省了分析专家的人力和时间。

　　案例二：Liebherr-Aerospace Toulouse SAS 通过仿真分析确保乘客舒适度

　　要求

　　Liebherr-Aerospace Toulouse SAS 位于法国图卢兹，是一家欧洲领先的飞机通风系统制造商。这家公司意识到自动设计工具可以降低成本和提升产品品质，所以着手开始比较当前通风系统的流体流动仿真分析和实际测试结果。

　　在与 CERFACS 合作研究之后，Liebherr-Aerospace 接洽Mentor Graphics 的MAD，以评估FloVENT在机舱内模拟空气循环的能力。FloVENT 是一款模拟各类空间内外空气流动，热交换和污染物分布的CFD 软件。通常会用于评估建筑物和船舱内的空气流动，当然FloVENT 也可以对汽车和飞机等小空间进行热流分析。

　　由于 Liebherr-Aerospace 将一个现有安装通风系统的评估项目作为参考点，所以有大量的测试数据可以与仿真结果进行比较。为了确保研究的公正性，Mentor Graphics 的工程师在进行仿真分析时，不参考任何测试数据。

　　解决方法

　　项目分析的第一个挑战就是要证实Liebherr-Aerospace Toulouse 提供的3D CAD模型可以有效地输入至FloVENT 使用。这些包含座位和驾驶室设计的CAD 文件由CATIA MCAD 软件输出。

　　CATIA 输出的文件格式仅仅是FloVENT 所能使用CAD 文件格式的一种，并且这种CAD 文件格式很容易被FloVENT 所使用(图7)。这就给了Mentor Graphics 工程师模拟分析所需要的信息。他们之所以采用这种建模方式，主要是因为其建模和求解时间较短。如果希望模拟整个飞机的座舱，这也是可行的。

　　结果

　　整个项目的评估的工作耗时三个星期左右，完成了几个模型的仿真分析。最终的结果和预期一样：

　　FloVENT 成功地模拟了Liebherr-Aerospace Toulouse 飞机通风系统的性能。Liebherr-AerospaceToulouse 的工程师证实座舱内的仿真结果与测试数据非常接近。Fanger 热舒适计算是FloVENT 的一个工具，可以用于评估通风系统性能。

　　Mentor Graphics 和Liebherr-Aerospace Toulouse SAS 一起合作，证实了飞机座舱的仿真分析可以获得测试一样精确的数据。最为重要的是，三个星期的仿真时间表明FloVENT 的用户可以大幅度减少样机的花费和缩短研发周期。