空气动力学研究中面临的挑战与机遇

空气动力学研究中面临的挑战与机遇

空气动力学是研究物体同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化,在流体力学基础上,随着航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来的一个学科。空气动力学的发展对于航空航天飞行器的研制有着极为重要的意义,是航空航天最重要的科学技术基础之一,对国家安全、经济发展、社会和谐都有着重要和用。在过去一段时间里,由于航空工业的相对成熟,关于航空领的研究更多的集中于如何通过改进制造过程降低成本,而不再将主要力量投入新技术的研究,但随着国际形势的日益严峻、信息化程度的提高以及航空运输对安全性经济性的要求,航空技术研究面临着更多更新的挑战,使得全球重新提高了对航空技术研究的关注程度。作为航空航天技术的重要基础学科之一的空气动力学,也面临着全新的机遇和挑战。

1 空气动力学研究意义和研究现状

1.1 空气动力学研究意义

人们最早对空气动力学的研究可以追溯到人类对鸟或弹丸在飞行时的受力和力的作用方式的种种猜测,但真正形成独立学科是在20世纪航空事业的迅速发展之后,是在经典流体力学中发展并形成的新的分支,并且迅速成为发展航空航天各类飞行器的重要基础科学和关键技术,推动整个人类航空航天事业的发展,成为航空航天事业发展的基础。如今,空气动力学已经不再仅只是应用于航空航天领域,还被应用于环境保护、公路交通、铁路交通、冶金、建筑、体育等众多领域,对整个人类社会的发展与进步都有着极为深远的影响。

1.2 空气动力学研究现状

在20世纪90年代,随着航空工业的迅速发展,使得航空工业整体技术程度相对于其它行业都成熟许多,基于此种原因,在较长一段时间里学界多认为航空工业已经走向成熟,尤其是空气动力技术基础技术方面,因此航空工业的研究将更多的集中于成本费用的降低,而减少了对应用技术的研究重视程度,使得空气动力学的研究相对缓慢。进入21世纪以后,随着计算机技术、通信技术、飞机设计技术等的发展,人们重新重视起了空气力学的研究,使得空气动力学得到了较好的发展。如以Euler及Navier.Stokes方程为主要数学模型的整机及部件绕流流场和气动特性计算研究领域,在我国即得到了极大的发展,并被应用于很多重点型号的研制中;再如飞机多外挂气动干扰特性研究、现代歼击机大攻角过失速气动持性研究等,都取得了极大的进展,在计算空气动力学领域也取得了突出的成绩,很多研究成果处于国际先进水平。

2 空气动力学研究所面临的挑战

传统的认为空气动力学 研究已经足以满足航空航天需求的认识很明显是错误的,随着飞机一体化设计技术、微型飞行器、行星探测飞行器的发展,必然向空气动力学的研究提出新的挑战。

3 先进飞机器研制需求所带来的挑战

随着航空交通事业的不断发展,以及出于国家安全等方面的需要,对先进飞行器的研制需求不断提高。如高机动性作战飞机、可重复使用高超音速飞行器、大型民航机、大型运输机、地效飞行器、微型飞行器、智能飞行器、无人侦察机、战略战术导弹、应用卫星、概念武器等,都对空气动力学的研究提出了更多的挑战性课题,需要空气动力学从复杂流场预测、喷流干扰、气动隐身、微流体力学、气动防热、高超音速边界湍流、低雷诺数流动力学、地面效应等多个方面进行更深入的研究,而所有这些研究,都涉及高度非定常、线性,包括复杂的物理化学变化效应的影响,难度极大。

例如,大容量运输机的研发,首先需要解决大容量运输机高燃油效率、低噪声、常规跑道起飞着陆能力的需要。在这里,虽然高燃油效率可以通过混合层流控制技术(HLFC)、发展新型发动机、采用高效的气动设计方面来进行满足,但这些技术要应用到大型飞机、高Re数情况却还存在很多缺陷和不足。再如低噪声的研究也是大型飞机所必须关注的问题,必须充分将声学研究向气动研究结合在一起进行。同时,还必须考虑增升阻力、尾涡效应、发动机喷流和外流干扰效应等。

3.1 自适应流动控制需要所带来的挑战

传统空气动力学对绕复杂物体的流动,多集采用涡发生器、吸气、吹气、肋条等技术进行模拟研究,但这种研究主要集中于流动的被动控制,随着近年来电子技术、软感技术、材料技术等的发展,传统的集中于被动控制的研究存在许多不足,必须对宏观流动和微观流动的主运控制进行更深入的研究,这对飞行器的未来发展有着极为重要的意义。只有提高自适应流动控制研究水平,才能提高自适应流动控制技术,为飞机结构设计提供更为全面的飞行控制函数,以有效减轻飞机重量和飞行能力。

自适应流动控制的研究主要包括减阻流动控制、边界层分离流动控制、高升力流动控制三个方面。具有感知能力的自适应流控制技术对于去不稳定性扰动源的影响极为重要,是未来飞行器发展所需要解决的一项关键性技术,对于简化吸气装置和相关系统都有着极为重要的意义。边界层流分离流动控制技术则驻地改善飞机气动性能有着重要意义,需要进一步研究射流、湍流、目标流场、近壁面压力分布等方面的关系。高升力流动控制技术对于飞行器增升装置的研发有着重要意义,需要进一步研究如何在不降低飞机性能的情况下减少飞机重量提高飞机增升能力。

3.2 噪声控制需要所带来的挑战

4 空气动力学研究的机遇

在航天航空发展需求给空气动力学研究提出更多更新的挑战的同时,现代科学技术的发展,也给空气动力学的研究带来了更多机遇。

4.1 计算能力的提高给空气动力学研究带来的机遇

在空气动力学的研究中,要减少研究时间和风险,降低研究费用,就必须从改进计算工具出发,提高计算速度度和计算精度。空气动力学研究所面临的最大的难点是空间的边界问题,先进的计算工具对于提高其计算精度和速度有着极为重要的意义。目前所采用的算法,如CFD算法、多重网格方法、RANS方法等,对计算机性能都有着极高的要求,比如RANS方程的计算即完全受计算机内存和速度的限制,在需要绝对精度和足够时空分辩率的情况下,以往的计算机资源很难模拟空气流动中的相关尺度效应;再如CFD在精确预测分离点位置上所存在的缺陷,很难在以往计算机工作平台上得以实现,尤其是飞行Re数下分离流发生的时刻和位置的模拟,更是极为困难。但随着计算机性能的不断提升,尤其是巨型计算机技术的进步,使得这些问题都得到了较好的解决。

4.2 分析验证能力的提高的带来的机遇

分析验证能力是指不通过地面试验或飞行试验,直接验证新技术、新型号可行性的能力。要提高验证的准确性和验证速度,就要求验证工具能以最快的速度完全预测整个飞行条件下飞行器的各项性能,验证新技术的应用效果。这当中,包括对各学科知识交叉的模拟验证能力,如对模拟流场的验证、对流场特征的验证、对自适应粘性流动区域的湍流验证等。计算机技术的提高和算法的完善,使得模拟分析验证能力有了极大的提高,对于空气动力学的研究提供了极大的便利。

4.3 风洞试验能力的提高带来新的机遇

风洞试验能够提供高可靠的物理模型模拟数据,并能对各种流动现象机理进行解释,并验证各类计算软件的可靠性,在空气流动学研究中有着极为重要的价值。进行风洞试验最好的办法是采用简单的拓扑结构来模拟全模各部件间的干扰现象、流动规律。为了得到最全面可靠的数据,需要与各类仪器合作,进行表面测量。而随着近年来物理解释的不断成熟,使得风洞试验能力得到了极大的提高,为获取全面可靠的风洞试验段流动特征提供了更坚实的基础。

5 结语

总之,随着航空航天发展的需要,尤其是新型飞行器发展的需要,给空气动力学的研究带来了更大的挑战,促使空气动力学的研究更多的与其它学科进行联系,进一步发展流动控制理论和噪声控制理论,进一步提高微传感器技术和激发技术。在面临巨大的挑战的同时,伴随着计算机技术的发展,也给空气动力学的研究带来了更多机遇,为空气动力学的研究获得更多更大的成果提供了更为坚实的基础。可以预测,在未来空气动力学的研究必将取得巨大的进步,为经济建设、人民生活和国家安全作出更大的贡献。