大型運(yùn)輸飛機(jī)是指起飛總重量超過(guò)100t的各類(lèi)用途的大型軍民用航空運(yùn)載類(lèi)飛機(jī)，其研制能力是衡量一個(gè)國(guó)家科技水平、工業(yè)水平等綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。目前，世界上只有美國(guó)、歐盟和俄羅斯具有大型民用客機(jī)的研制生產(chǎn)實(shí)力，而真正具有國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的只有美國(guó)和歐盟。與此同時(shí)，在快速反應(yīng)、快速機(jī)動(dòng)、大量消耗物資的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，大型軍用運(yùn)輸機(jī)已成為戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的重要因素之一，其數(shù)量和運(yùn)載效能也是衡量一個(gè)國(guó)家快速反應(yīng)能力的重要標(biāo)志。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)要實(shí)現(xiàn)建設(shè)航空強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)，迫切需要打開(kāi)大型運(yùn)輸飛機(jī)發(fā)展的突破口，以滿(mǎn)足國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的雙重急需，并帶動(dòng)我國(guó)科技水平、工業(yè)水平的大幅度提高。大型運(yùn)輸機(jī)氣動(dòng)力分析技術(shù)是在先進(jìn)理論方法和成功工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上形成和發(fā)展起來(lái)的，屬航空發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我們封鎖的關(guān)鍵技術(shù)。直到20世紀(jì)70年代，在飛機(jī)氣動(dòng)力設(shè)計(jì)工作中，在采用的設(shè)計(jì)手段上，風(fēng)洞試驗(yàn)是主要的，甚至可以說(shuō)是唯一能獲得可靠的氣動(dòng)數(shù)據(jù)的手段，計(jì)算通常只是簡(jiǎn)單意義上的工程估算。但是，隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)和大容量計(jì)算機(jī)的發(fā)展，試驗(yàn)和計(jì)算在設(shè)計(jì)工作中的相對(duì)地位在不斷改變。形成這種改變的主要依據(jù)是：由于過(guò)去傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法往往需要給出上百種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比選型試驗(yàn)，風(fēng)洞試驗(yàn)工作量非常驚人，需要很長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期，耗資亦十分浩大。據(jù)國(guó)外資料統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)代飛行器氣動(dòng)力設(shè)計(jì)所需的風(fēng)洞試驗(yàn)需求較過(guò)去成量級(jí)的增長(zhǎng)，如果不大規(guī)模開(kāi)發(fā)和采用CFD技術(shù)，單單完成這些風(fēng)洞試驗(yàn)就需耗費(fèi)5～10年的時(shí)間。另外，風(fēng)洞試驗(yàn)受到試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)技術(shù)的限制，并不能準(zhǔn)確模擬某些飛行狀態(tài)下的流動(dòng)情況。到目前為止，風(fēng)洞設(shè)備模擬能力的種種限制并沒(méi)有本質(zhì)的改觀(guān)。而另一方面，從20世紀(jì)70年代末開(kāi)始，由于CFD計(jì)算方法的不斷突破和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，CFD進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的新時(shí)期。其主要標(biāo)志之一是CFD開(kāi)始越來(lái)越多地被應(yīng)用到以航空航天飛行器的研究和設(shè)計(jì)為代表的流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)際工程中。

　　CFD 與航空

　　經(jīng)過(guò)近30年的迅速發(fā)展，今天的CFD已經(jīng)成為飛機(jī)、導(dǎo)彈、飛船等航空航天飛行器研制中一種主要的氣動(dòng)分析和設(shè)計(jì)工具。CFD以其快速、經(jīng)濟(jì)、高效、適用面廣、約束少、數(shù)據(jù)詳盡等特有的優(yōu)勢(shì)改變了傳統(tǒng)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，成為航空航天飛行器研制中無(wú)可替代的有力工具。美國(guó)Northrop公司在研制YF-17與YF-23的過(guò)程中風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算工作量的變化:1966～1974年YF-17研制期間，共進(jìn)行了近13500h的風(fēng)洞試驗(yàn)，當(dāng)時(shí)還沒(méi)有可用的CFD技術(shù);而1982～1990年對(duì)性能要求更高、外形更復(fù)雜的YF-23研制期間，CFD計(jì)算用了近15000h，風(fēng)洞試驗(yàn)只用了近5500h，減少了約60%的試驗(yàn)工作量，總的成本大大降低，縮短了相對(duì)研制周期，而且由于CFD可以方便地修改飛機(jī)外形和流動(dòng)條件，擴(kuò)大了優(yōu)化設(shè)計(jì)的范圍，因而可以獲得優(yōu)異的設(shè)計(jì)性能。2004年，波音公司的E.N.Tinoco說(shuō)：“在現(xiàn)代商業(yè)飛機(jī)的成功設(shè)計(jì)中，CFD的有效應(yīng)用是一個(gè)關(guān)鍵因素。CFD在商業(yè)飛機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用革命化地改變了氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法……在飛機(jī)發(fā)展中，CFD的應(yīng)用越來(lái)越多，這并不是因?yàn)樗旧砑夹g(shù)上的推動(dòng)，而是因?yàn)槭袌?chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。現(xiàn)在，CFD是氣動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程的主要部分，另外還包括風(fēng)洞和飛行試驗(yàn)。在顯著縮短飛機(jī)研發(fā)周期方面，CFD是主要保證因素。如果我們希望保持競(jìng)爭(zhēng)力，就別無(wú)選擇。”1998年，Lockheed Martin公司的P.Raj在一篇題為《21世紀(jì)的飛機(jī)設(shè)計(jì)》的論文中指出：人們之所以聚焦CFD，首要的原因是在飛機(jī)設(shè)計(jì)的每一個(gè)階段，CFD都扮演著中心的角色。在世界CFD的發(fā)展史上，美國(guó)國(guó)家宇航局(NASA)一直是最大的推動(dòng)者，當(dāng)然也是最大的受益者。NASA對(duì)于CFD的發(fā)展及其應(yīng)用一直給予高度的重視：“以NASA的觀(guān)點(diǎn)，CFD是流動(dòng)模擬和預(yù)估的一個(gè)令人興奮的新工具，一個(gè)本質(zhì)上沒(méi)有任何別的地面模擬技術(shù)固有限制的工具”。NASA總部計(jì)劃通過(guò)CFD技術(shù)將發(fā)動(dòng)機(jī)和飛行器的設(shè)計(jì)時(shí)間和費(fèi)用減少一半。CFD技術(shù)的廣泛應(yīng)用已經(jīng)使現(xiàn)代飛行器的設(shè)計(jì)方式發(fā)生了根本的改變：在方案設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)階段，數(shù)值計(jì)算已成為主要的設(shè)計(jì)手段，風(fēng)洞試驗(yàn)僅僅對(duì)最終選定的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有限的校核。在飛機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，CFD技術(shù)又可作為精確校核計(jì)算和進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正、風(fēng)洞及飛行相關(guān)性研究的重要手段，指導(dǎo)和補(bǔ)充風(fēng)洞試驗(yàn)。在許多情況下，數(shù)值計(jì)算甚至可以直接提供設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。CFD技術(shù)的使用，大大減輕了風(fēng)洞的負(fù)擔(dān)，使風(fēng)洞試驗(yàn)用于解決更為重要方面的問(wèn)題及進(jìn)行必要的驗(yàn)證，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本，確保了飛機(jī)的高性能設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)飛行器氣動(dòng)力設(shè)計(jì)方式帶來(lái)了深刻的變化，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。目前，CFD技術(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)相輔相成，已成為現(xiàn)代飛機(jī)氣動(dòng)力設(shè)計(jì)的兩大重要技術(shù)手段，CFD技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用水平已經(jīng)成為評(píng)價(jià)飛機(jī)設(shè)計(jì)先進(jìn)水平的主要標(biāo)志。在現(xiàn)今的美國(guó)航空航天領(lǐng)域，CFD約占?xì)鈩?dòng)設(shè)計(jì)工作量的70%，而風(fēng)洞試驗(yàn)的工作量只占30%。無(wú)論從節(jié)省研制費(fèi)用、縮短設(shè)計(jì)時(shí)間出發(fā)，還是從提高設(shè)計(jì)水平出發(fā)，在本世紀(jì)，由于計(jì)算機(jī)和CFD技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，CFD將給氣動(dòng)設(shè)計(jì)帶來(lái)更大的革命。未來(lái)飛行器性能的確定，將依賴(lài)于在“虛擬風(fēng)洞(采用CFD技術(shù))”數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的“虛擬飛行”，這將是飛行器研制的主要發(fā)展方向。

　　CFD 在大型民機(jī)研制中的應(yīng)用

　　航空領(lǐng)域是CFD應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域也是應(yīng)用最為成功的領(lǐng)域之一。今天，CFD已經(jīng)成為大型民機(jī)研制中流動(dòng)問(wèn)題研究、氣動(dòng)設(shè)計(jì)的主要手段之一。發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)上的合理吊掛對(duì)于飛機(jī)的結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、氣動(dòng)等都有很大影響，發(fā)動(dòng)機(jī)及其噴流和機(jī)身、機(jī)翼之間有著很強(qiáng)的流動(dòng)相互作用，會(huì)誘發(fā)附加的流動(dòng)阻力包括干擾引起的誘導(dǎo)阻力和機(jī)翼下表面超聲速區(qū)引起的波阻等。在波音公司，20世紀(jì)90年代前主要依靠風(fēng)洞試驗(yàn)研究發(fā)動(dòng)機(jī)的吊掛，但模擬發(fā)動(dòng)機(jī)噴流的試驗(yàn)難度大、費(fèi)用高、周期長(zhǎng)，也無(wú)法給出流動(dòng)相互作用的機(jī)理性和規(guī)律性的解釋。所以傳統(tǒng)的做法是將發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能遠(yuǎn)離機(jī)翼和機(jī)身，這樣做又導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和重量的增加。這種吊掛設(shè)計(jì)一般要進(jìn)行幾十次的風(fēng)洞試驗(yàn)，每次試驗(yàn)耗資約15萬(wàn)美元。90年代以后，利用CFD，可以很清晰地刻畫(huà)出帶噴流的發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)身、機(jī)翼之間的流動(dòng)干擾機(jī)理和規(guī)律，從而優(yōu)化出最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛方案，逐漸實(shí)現(xiàn)了近距布置。現(xiàn)在，CFD方法逐漸取代了吊掛風(fēng)洞試驗(yàn)，PW4098、GE90-115B 等吊掛設(shè)計(jì)已經(jīng)不再進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，而完全由CFD完成。這顯著地縮短了設(shè)計(jì)周期，節(jié)省了研制費(fèi)用，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。在波音商業(yè)飛機(jī)部，為了支持各種產(chǎn)品，每年要運(yùn)行超過(guò)2萬(wàn)次CFD作業(yè)。其中85%的作業(yè)是由CFD研究小組以外的生產(chǎn)工程師完成的。CFD方法能以數(shù)小時(shí)或數(shù)天，而不是以前的數(shù)周或數(shù)月的時(shí)間提供及時(shí)的結(jié)果。CFD變革了機(jī)翼的設(shè)計(jì)方法，傳統(tǒng)的依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)和大量風(fēng)洞試驗(yàn)的“試錯(cuò)法”(Cut-and-Try)已經(jīng)被依賴(lài)CFD模擬的“反設(shè)計(jì)方法”和“多點(diǎn)優(yōu)化方法”所取代。這些新方法更快捷、更經(jīng)濟(jì)，更重要的是這些新方法設(shè)計(jì)出的機(jī)翼性能比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有了顯著的改進(jìn)。傳統(tǒng)的“試錯(cuò)法”需要設(shè)計(jì)幾十個(gè)機(jī)翼進(jìn)行大量風(fēng)洞試驗(yàn)，而新的CFD設(shè)計(jì)方法，只需要設(shè)計(jì)出2～3個(gè)性能最好的機(jī)翼，再放到風(fēng)洞里進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和最終選型。同樣，空客系列飛機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中從一開(kāi)始就使用了全機(jī)N-S方程流場(chǎng)計(jì)算程序。又如波音公司在發(fā)展B777的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段通過(guò)全機(jī)復(fù)雜構(gòu)型氣動(dòng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴流使增升裝置的效率大為降低，經(jīng)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)安裝方案，成功地解決了這一問(wèn)題。波音公司在研制B777和新一代B737飛機(jī)時(shí)廣泛使用了CFD技術(shù)。歸納起來(lái)說(shuō)，CFD的應(yīng)用包括：機(jī)翼設(shè)計(jì)、機(jī)身-發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛設(shè)計(jì)、副翼和襟翼的設(shè)計(jì)、垂尾和后體的設(shè)計(jì)、機(jī)頭與駕駛室設(shè)計(jì)、機(jī)翼-機(jī)身的連接等。歐盟、空客公司等同樣對(duì)CF D寄予重托。使用CFD產(chǎn)生設(shè)計(jì)用的數(shù)據(jù)，而風(fēng)洞試驗(yàn)主要用于性能檢驗(yàn)，并更多地專(zhuān)注于生成數(shù)據(jù)庫(kù)用以進(jìn)行方法驗(yàn)證確認(rèn)。已計(jì)劃通過(guò)廣泛使用CFD，到2015年使常規(guī)風(fēng)洞試驗(yàn)減少一半。

　　國(guó)內(nèi)CFD研究與應(yīng)用情況

　　我國(guó)運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)的發(fā)展過(guò)程實(shí)際上是一段測(cè)繪、仿制、改進(jìn)的歷史。例如改進(jìn)原蘇聯(lián) 20 世紀(jì)五六十年代的運(yùn)輸機(jī)，組裝生產(chǎn)美國(guó)七八十年代的麥道干線(xiàn)飛機(jī)等。迄今為止，我國(guó)還沒(méi)有一個(gè)飛機(jī)研究所設(shè)計(jì)過(guò)任何大型飛機(jī)。在大型飛機(jī)設(shè)計(jì)上，我們不具備研制經(jīng)驗(yàn)和手段。特別對(duì)一些關(guān)鍵的設(shè)計(jì)技術(shù)，由于預(yù)先的基礎(chǔ)研究做得不夠，因此自力更生地發(fā)展大型運(yùn)輸機(jī)，不僅要依賴(lài)于現(xiàn)有飛機(jī)研制基地的潛力還要依靠國(guó)內(nèi)各行業(yè)的綜合能力，對(duì)相關(guān)重大基礎(chǔ)問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)，才能確保我國(guó)大型運(yùn)輸機(jī)研制成功。“七五”以來(lái)，我國(guó)的CFD技術(shù)得到了較大的發(fā)展，先后研究和發(fā)展了翼型設(shè)計(jì)分析、機(jī)翼設(shè)計(jì)分析、翼身組合體分析、全機(jī)CFD計(jì)算軟件研究等方面的計(jì)算分析軟件。經(jīng)過(guò)多年的不懈努力，在克服了大量的技術(shù)難點(diǎn)后，開(kāi)發(fā)了一系列可用于大型運(yùn)輸機(jī)氣動(dòng)研究和設(shè)計(jì)、機(jī)翼設(shè)計(jì)計(jì)算的CFD軟件。這些軟件系統(tǒng)，總體上達(dá)到國(guó)際90年代中期的先進(jìn)水平，且擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可以在我國(guó)的大型軍民用運(yùn)輸機(jī)部件氣動(dòng)力設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用。近幾年，國(guó)內(nèi)也引進(jìn)了部分國(guó)外CFD商業(yè)軟件，進(jìn)行航空航天飛行器流場(chǎng)計(jì)算，并在型號(hào)研制中取得了一定的效益。但是，這些引進(jìn)的商業(yè)程序普遍存在著精度低、計(jì)算效率低、可靠性差、無(wú)源代碼等缺點(diǎn)。事實(shí)上，西方國(guó)家向我們推銷(xiāo)的CFD軟件往往是他們的低端產(chǎn)品。而真正在飛機(jī)設(shè)計(jì)中發(fā)揮核心作用的那些“IN HOUSE”程序，國(guó)外各大飛機(jī)公司都嚴(yán)格保密，我們是買(mǎi)不到的。為了發(fā)展我國(guó)的民族飛機(jī)工業(yè)，不受制于人，必須腳踏實(shí)地地研究自己的CFD計(jì)算方法和程序。這里給出一個(gè)我們課題組使用自己的CFD軟件的計(jì)算實(shí)例：M6機(jī)翼CFD計(jì)算。M6機(jī)翼是一個(gè)著名的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停趪?guó)際上被廣泛用作CFD考核計(jì)算模型。我們采用不同CFD格式計(jì)算了不同的流動(dòng)條件。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，我們的計(jì)算結(jié)果精度可靠，其精度同國(guó)際上已經(jīng)發(fā)表的相關(guān)計(jì)算結(jié)果一致，而計(jì)算效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商業(yè)CFD軟件。這說(shuō)明，我們的CFD軟件同西方CFD軟件相比，在計(jì)算精度等方面并無(wú)大的差距，并且在計(jì)算效率和可靠性等方面具有優(yōu)勢(shì)。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　CFD給飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)方式帶來(lái)了深刻的革命性變化，CFD技術(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)相輔相成，已成為現(xiàn)代飛機(jī)氣動(dòng)力設(shè)計(jì)的兩大重要技術(shù)手段，CFD的重要性和實(shí)用性應(yīng)當(dāng)?shù)玫街匾暋FD在飛機(jī)研制中的作用越來(lái)越大、越來(lái)越成功，歐美的發(fā)展歷程啟示我們應(yīng)該重視CFD的研究和應(yīng)用。在大型民機(jī)的研制中，在節(jié)省研制經(jīng)費(fèi)、縮短研制周期、提高研制質(zhì)量等方面，CFD都具備它獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)可以發(fā)揮十分重要的作用。我國(guó)在CFD計(jì)算精度、可靠性等方面，基本上已經(jīng)達(dá)到歐、美國(guó)家的先進(jìn)水平，在我國(guó)大型民機(jī)研制中，應(yīng)該相信我們自己的CFD能力著力開(kāi)發(fā)，為大飛機(jī)的研制作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。