空氣動力學試驗技術論文

　　空氣動力學是研究物體同氣體作相對運動情況下的受力特性、氣體流動規律和伴隨發生的物理化學變化,下面小編給大家分享，大家快來跟小編一起欣賞吧。

　　篇一

　　空氣動力學研究中面臨的挑戰與機遇

　　空氣動力學是研究物體同氣體作相對運動情況下的受力特性、氣體流動規律和伴隨發生的物理化學變化,在流體力學基礎上,隨著航空工業和噴氣推進技術的發展而成長起來的一個學科。空氣動力學的發展對於航空航天飛行器的研製有著極為重要的意義,是航空航天最重要的科學技術基礎之一,對國家安全、經濟發展、社會和諧都有著重要和用。在過去一段時間裡,由於航空工業的相對成熟,關於航空領的研究更多的集中於如何通過改進製造過程降低成本,而不再將主要力量投入新技術的研究,但隨著國際形勢的日益嚴峻、資訊化程度的提高以及航空運輸對安全性經濟性的要求,航空技術研究面臨著更多更新的挑戰,使得全球重新提高了對航空技術研究的關注程度。作為航空航天技術的重要基礎學科之一的空氣動力學,也面臨著全新的機遇和挑戰。

　　1 空氣動力學研究意義和研究現狀

　　1.1 空氣動力學研究意義

　　人們最早對空氣動力學的研究可以追溯到人類對鳥或彈丸在飛行時的受力和力的作用方式的種種猜測,但真正形成獨立學科是在20世紀航空事業的迅速發展之後,是在經典流體力學中發展並形成的新的分支,並且迅速成為發展航空航天各類飛行器的重要基礎科學和關鍵技術,推動整個人類航空航天事業的發展,成為航空航天事業發展的基礎。如今,空氣動力學已經不再僅只是應用於航空航天領域,還被應用於環境保護、公路交通、鐵路交通、冶金、建築、體育等眾多領域,對整個人類社會的發展與進步都有著極為深遠的影響。

　　1.2 空氣動力學研究現狀

　　在20世紀90年代,隨著航空工業的迅速發展,使得航空工業整體技術程度相對於其它行業都成熟許多,基於此種原因,在較長一段時間裡學界多認為航空工業已經走向成熟,尤其是空氣動力技術基礎技術方面,因此航空工業的研究將更多的集中於成本費用的降低,而減少了對應用技術的研究重視程度,使得空氣動力學的研究相對緩慢。進入21世紀以後,隨著計算機技術、通訊技術、飛機設計技術等的發展,人們重新重視起了空氣力學的研究,使得空氣動力學得到了較好的發展。如以Euler及Navier.Stokes方程為主要數學模型的整機及部件繞流流場和氣動特性計算研究領域,在我國即得到了極大的發展,並被應用於很多重點型號的研製中;再如飛機多外掛氣動干擾特性研究、現代殲擊機大攻角過失速氣動持性研究等,都取得了極大的進展,在計算空氣動力學領域也取得了突出的成績,很多研究成果處於國際先進水平。

　　2 空氣動力學研究所面臨的挑戰

　　傳統的認為空氣動力學研究已經足以滿足航空航天需求的認識很明顯是錯誤的,隨著飛機一體化設計技術、微型飛行器、行星探測飛行器的發展,必然向空氣動力學的研究提出新的挑戰。

　　3 先進飛機器研製需求所帶來的挑戰

　　隨著航空交通事業的不斷髮展,以及出於國家安全等方面的需要,對先進飛行器的研製需求不斷提高。如高機動性作戰飛機、可重複使用高超音速飛行器、大型民航機、大型運輸機、地效飛行器、微型飛行器、智慧飛行器、無人偵察機、戰略戰術導彈、應用衛星、概念武器等,都對空氣動力學的研究提出了更多的挑戰性課題,需要空氣動力學從複雜流場預測、噴流乾擾、氣動隱身、微流體力學、氣動防熱、高超音速邊界湍流、低雷諾數流動力學、地面效應等多個方面進行更深入的研究,而所有這些研究,都涉及高度非定常、線性,包括複雜的物理化學變化效應的影響,難度極大。

　　例如,大容量運輸機的研發,首先需要解決大容量運輸機高燃油效率、低噪聲、常規跑道起飛著陸能力的需要。在這裡,雖然高燃油效率可以通過混合層流控制技術***HLFC***、發展新型發動機、採用高效的氣動設計方面來進行滿足,但這些技術要應用到大型飛機、高Re數情況卻還存在很多缺陷和不足。再如低噪聲的研究也是大型飛機所必須關注的問題,必須充分將聲學研究向氣動研究結合在一起進行。同時,還必須考慮增升阻力、尾渦效應、發動機噴流和外流乾擾效應等。

　　3.1 自適應流動控制需要所帶來的挑戰

　　傳統空氣動力學對繞複雜物體的流動,多集採用渦發生器、吸氣、吹氣、肋條等技術進行模擬研究,但這種研究主要集中於流動的被動控制,隨著近年來電子技術、軟感技術、材料技術等的發展,傳統的集中於被動控制的研究存在許多不足,必須對巨集觀流動和微觀流動的主運控制進行更深入的研究,這對飛行器的未來發展有著極為重要的意義。只有提高自適應流動控制研究水平,才能提高自適應流動控制技術,為飛機結構設計提供更為全面的飛行控制函式,以有效減輕飛機重量和飛行能力。

　　自適應流動控制的研究主要包括減阻流動控制、邊界層分離流動控制、高升力流動控制三個方面。具有感知能力的自適應流控制技術對於去不穩定性擾動源的影響極為重要,是未來飛行器發展所需要解決的一項關鍵性技術,對於簡化吸氣裝置和相關係統都有著極為重要的意義。邊界層流分離流動控制技術則駐地改善飛機氣動效能有著重要意義,需要進一步研究射流、湍流、目標流場、近壁面壓力分佈等方面的關係。高升力流動控制技術對於飛行器增升裝置的研發有著重要意義,需要進一步研究如何在不降低飛機效能的情況下減少飛機重量提高飛機增升能力。

　　3.2 噪聲控制需要所帶來的挑戰

　　噪聲控制是飛機設計所需要考慮的一個重要內容,尤其是隨著航空對“安全性、經濟性、舒適性和環保性”的要求的不斷提高,飛機噪聲問題被各界所廣泛關注。根據國際航空運輸噪聲標準規定,飛機噪聲輻射在2017年要降低20EPNdB,而要在不影響氣動效能和推力的情況下降低噪聲,就必須在技術上進行巨大的革新,實際上現有相關技術都還極不成熟,要降低噪聲就必須進一步對聲學、氣動、推力系統、飛機結構之關的關係進行進一步的研究。

　　4 空氣動力學研究的機遇

　　在航天航空發展需求給空氣動力學研究提出更多更新的挑戰的同時,現代科學技術的發展,也給空氣動力學的研究帶來了更多機遇。

　　4.1 計算能力的提高給空氣動力學研究帶來的機遇

　　在空氣動力學的研究中,要減少研究時間和風險,降低研究費用,就必須從改進計算工具出發,提高計算速度度和計算精度。空氣動力學研究所面臨的最大的難點是空間的邊界問題,先進的計算工具對於提高其計算精度和速度有著極為重要的意義。目前所採用的演算法,如CFD演算法、多重網格方法、RANS方法等,對計算機效能都有著極高的要求,比如RANS方程的計算即完全受計算機記憶體和速度的限制,在需要絕對精度和足夠時空分辯率的情況下,以往的計算機資源很難模擬空氣流動中的相關尺度效應;再如CFD在精確預測分離點位置上所存在的缺陷,很難在以往計算機工作平臺上得以實現,尤其是飛行Re數下分離流發生的時刻和位置的模擬,更是極為困難。但隨著計算機效能的不斷提升,尤其是巨型計算機技術的進步,使得這些問題都得到了較好的解決。

　　4.2 分析驗證能力的提高的帶來的機遇

　　分析驗證能力是指不通過地面試驗或飛行試驗,直接驗證新技術、新型號可行性的能力。要提高驗證的準確性和驗證速度,就要求驗證工具能以最快的速度完全預測整個飛行條件下飛行器的各項效能,驗證新技術的應用效果。這當中,包括對各學科知識交叉的模擬驗證能力,如對模擬流場的驗證、對流場特徵的驗證、對自適應粘性流動區域的湍流驗證等。計算機技術的提高和演算法的完善,使得模擬分析驗證能力有了極大的提高,對於空氣動力學的研究提供了極大的便利。

　　4.3 風洞試驗能力的提高帶來新的機遇

　　風洞試驗能夠提供高可靠的物理模型模擬資料,並能對各種流動現象機理進行解釋,並驗證各類計算軟體的可靠性,在空氣流動學研究中有著極為重要的價值。進行風洞試驗最好的辦法是採用簡單的拓撲結構來模擬全模各部件間的干擾現象、流動規律。為了得到最全面可靠的資料,需要與各類儀器合作,進行表面測量。而隨著近年來物理解釋的不斷成熟,使得風洞試驗能力得到了極大的提高,為獲取全面可靠的風洞試驗段流動特徵提供了更堅實的基礎。

　　5 結語

　　總之,隨著航空航天發展的需要,尤其是新型飛行器發展的需要,給空氣動力學的研究帶來了更大的挑戰,促使空氣動力學的研究更多的與其它學科進行聯絡,進一步發展流動控制理論和噪聲控制理論,進一步提高微感測器技術和激發技術。在面臨巨大的挑戰的同時,伴隨著計算機技術的發展,也給空氣動力學的研究帶來了更多機遇,為空氣動力學的研究獲得更多更大的成果提供了更為堅實的基礎。可以預測,在未來空氣動力學的研究必將取得巨大的進步,為經濟建設、人民生活和國家安全作出更大的貢獻。

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