航空航天空气动力学高性能计算解决方案

1．概述

传统的飞行器气动布局设计主要依赖理论研究估算、设计师的经验以及大量的风洞试验结果，风洞试验是主要设计工具。计算机技术的迅猛发展推动了航空空气动力学的革命。目前正在大力发展的计算流体力学将以突破对黏流流场物理现象的模拟能力为重点，尤其是精确预测流动分离点和转捩过程以及湍流流动。

1.1.国外发展概况

美国

美国在空气动力学研究与发展领域一直处于世界领先地位，在探索新概念飞行器、航空新技术、新研究和试验方法上也具有明显优势。美国对空气动力学技术的投资堪称世界第一，为促进气动技术的发展，先后建造了一大批用于各类飞行器研制的气动力地面试验设施，现有高、低速搭配、尺寸配套的科研生产型风洞70多座。

长期以来，美国充分利用其处于世界先进水平的计算机软硬件技术优势，大力开展计算流体力学（CFD）技术研究，投资建立数值模拟中心，推广CFD技术的工程应用。特别是航空、航天飞行器的气动设计中，采用先进的CFD技术使设计周期和成本大幅度降低，设计质量迅速提高，飞机气动性能不断改进。

欧洲

总体上讲，欧洲，主要是德国、法国和英国在空气动力学发展研究方面稍逊于美国。由于经济原因，在高超声速飞行器研究上，欧洲明显落后于美国，但欧洲的气动试验设施在某些方面比美国先进，比如欧洲的跨声速风洞，其试验能力和试验效率明显高于美国现有的风洞。

英国航空航天界人士认为，目前空气动力学已达到非常先进的阶段，但还不成熟，业界未来的目标应该在于开发未来先进的、快速的和适用的方法，用于设计可显著改善气动效率和降低成本的机翼，为应用行业带来显著的效益。CFD方法的研究进展在其中应保持优先性，其研究的方向仍然是继续提高计算精度和应用能力，特别是在粘黏性和非定常流的模拟计算上。

俄罗斯

作为世界航空航天大国，俄罗斯在空气动力学的理论研究和试验能力方面一直与美国并驾齐驱，特别是在基础理论研究方面具有一定优势，但在计算流体力学方面进展落后于美国。从美国与俄罗斯以及西欧与俄罗斯在气动技术研究发展方面的合作项目上可看出，俄罗斯主要提供新的设计思想和理论方法，而相应的试验和计算软件开发一般由美国或西欧承担。

中国

新中国自建立以来，一直把发展航天航空技术放在作为国家战略高度，在老一辈空气动力学专家的带领下，中国在过去几十年的时间里，在空气动力学方面的研究已经取得了重大的研究成果，并直接使我国跻身航天航空大国之列。目前中国航天航空研发机构主要包括三个部分：

航天科技集团和航天科工集团下属各研究院，如航天一院、二院、三院、十一院等，其研究涉及飞行器设计、洲际导弹、载人航天等多个方面，是我国航天航空研究的主力军。

其次就是国防科工委下属的各个重点高等院校，包括北京航空航天大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学等，此外，清华大学、上海交通大学等国内知名高校也纷纷开设了航天航空气动力学专业。

我国军用、民用飞机设计的主力军无疑是国内几大飞机设计院：西飞、成飞、沈飞等，并且在我国已经形成了陕西阎良、四川成都、辽宁沈阳、等几个航空研发基地，近年来已经开发出飞豹、歼10、空中加油机、支线飞机等高新技术产品，并在积极努力开发中国自主知识产权的大飞机设计。

1.2.CFD方法发展与挑战

随着CFD技术的迅猛发展及其在军、民飞行器气动力设计中的广泛应用，预测给定外形绕流的无粘CFD流场技术已非常成熟并成功应用于先进战斗机的全机模拟中。一个典型的例子是，美国的F-22飞机在试飞时出现垂尾抖振现象，风洞试验研究未能准确确定其产生的根源，而CFD却准确预测出这是由于进气道产生的第二个分离涡拖出后扫到了垂尾造成的抖振，进而使设计人员能据此采取相应措施予以解决。

CFD算法在1970～1985年期间发展迅速，之后发展相对平缓，特别是工程应用进展比较缓慢，仅仅是在提高计算解的速度上有了一定改进。改善CFD算法不仅要求提高计算速度还需要增加计算精度，从CFD发展历史看，改善计算精度往往是以成倍增加计算时间为代价的。因此，必须均衡发展，提高计算精度而不增加时间是未来CFD算法的挑战。

CFD发展的最终目的是不用进行昂贵的地面试验和飞行试验就能验证新的技术或新的飞机概念，能够成为设计师在经济可承受性范围内精确预测气动力、力矩和载荷的可靠工具。达到这一能力的主要障碍是对黏流流场物理现象的模拟能力，尤其是精确预测流动分离点和转捩过程以及湍流流动。

随着CFD在空气动力设计中越来越重要的工具作用，出现了对风洞试验不正确的认识，甚至有人认为，未来在气动设计中CFD可以取代风洞试验。但事实证明这种认识是错误的。

调查表明，在CFD应用于飞机设计前，随着新型号飞机复杂程度的增加，需求的风洞试验小时数增长很快，有了CFD后增长率趋于平缓，但仍不可能少于10000小时，而且对于高度复杂的先进军用飞机来说，需要的风洞试验小时数将更为可观。

例如，美国在发展第四代先进战斗机F-22过程中，在1991年到1996年5年间，利用23种模型在15座不同类型的风洞进行了75项试验，累积17689小时。此外在原型机YF-22的演示/验证阶段进行了19195小时的气动布局风洞试验，在预先演示/验证阶段还进行了7005小时的风洞，合计共进行了43889小时的风洞试验。

风洞试验不可或缺的关键原因是由于现代飞机涉及多学科的综合，一些复杂的干扰现象根本无法用CFD来模拟，所以CFD难以取代风洞的作用，但对于衍生型飞机设计，CFD则可以显著降低风洞试验小时。