大型運輸飛機是指起飛總重量超過100t的各類用途的大型軍民用航空運載類飛機，其研制能力是衡量一個國家科技水平、工業(yè)水平等綜合國力的重要標志。目前，世界上只有美國、歐盟和俄羅斯具有大型民用客機的研制生產(chǎn)實力，而真正具有國際市場競爭能力的只有美國和歐盟。與此同時，在快速反應(yīng)、快速機動、大量消耗物資的現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，大型軍用運輸機已成為戰(zhàn)爭勝負的重要因素之一，其數(shù)量和運載效能也是衡量一個國家快速反應(yīng)能力的重要標志。進入21世紀，我國要實現(xiàn)建設(shè)航空強國的目標，迫切需要打開大型運輸飛機發(fā)展的突破口，以滿足國家安全和國民經(jīng)濟建設(shè)的雙重急需，并帶動我國科技水平、工業(yè)水平的大幅度提高。大型運輸機氣動力分析技術(shù)是在先進理論方法和成功工程實踐的基礎(chǔ)上形成和發(fā)展起來的，屬航空發(fā)達國家對我們封鎖的關(guān)鍵技術(shù)。直到20世紀70年代，在飛機氣動力設(shè)計工作中，在采用的設(shè)計手段上，風(fēng)洞試驗是主要的，甚至可以說是唯一能獲得可靠的氣動數(shù)據(jù)的手段，計算通常只是簡單意義上的工程估算。但是，隨著計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）和大容量計算機的發(fā)展，試驗和計算在設(shè)計工作中的相對地位在不斷改變。形成這種改變的主要依據(jù)是：由于過去傳統(tǒng)的設(shè)計方法往往需要給出上百種設(shè)計方案進行對比選型試驗，風(fēng)洞試驗工作量非常驚人，需要很長的設(shè)計周期，耗資亦十分浩大。據(jù)國外資料統(tǒng)計，現(xiàn)代飛行器氣動力設(shè)計所需的風(fēng)洞試驗需求較過去成量級的增長，如果不大規(guī)模開發(fā)和采用CFD技術(shù)，單單完成這些風(fēng)洞試驗就需耗費5～10年的時間。另外，風(fēng)洞試驗受到試驗設(shè)備及試驗技術(shù)的限制，并不能準確模擬某些飛行狀態(tài)下的流動情況。到目前為止，風(fēng)洞設(shè)備模擬能力的種種限制并沒有本質(zhì)的改觀。而另一方面，從20世紀70年代末開始，由于CFD計算方法的不斷突破和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，CFD進入了蓬勃發(fā)展的新時期。其主要標志之一是CFD開始越來越多地被應(yīng)用到以航空航天飛行器的研究和設(shè)計為代表的流體力學(xué)、空氣動力學(xué)實際工程中。 

    CFD 與航空 

    經(jīng)過近30年的迅速發(fā)展，今天的CFD已經(jīng)成為飛機、導(dǎo)彈、飛船等航空航天飛行器研制中一種主要的氣動分析和設(shè)計工具。CFD以其快速、經(jīng)濟、高效、適用面廣、約束少、數(shù)據(jù)詳盡等特有的優(yōu)勢改變了傳統(tǒng)的氣動設(shè)計方法，成為航空航天飛行器研制中無可替代的有力工具。美國Northrop公司在研制YF-17與YF-23的過程中風(fēng)洞試驗與數(shù)值計算工作量的變化:1966～1974年YF-17研制期間，共進行了近13500h的風(fēng)洞試驗，當(dāng)時還沒有可用的CFD技術(shù)；而1982～1990年對性能要求更高、外形更復(fù)雜的YF-23研制期間，CFD計算用了近15000h，風(fēng)洞試驗只用了近5500h，減少了約60%的試驗工作量，總的成本大大降低，縮短了相對研制周期，而且由于CFD可以方便地修改飛機外形和流動條件，擴大了優(yōu)化設(shè)計的范圍，因而可以獲得優(yōu)異的設(shè)計性能。2004年，波音公司的E.N.Tinoco說：“在現(xiàn)代商業(yè)飛機的成功設(shè)計中，CFD的有效應(yīng)用是一個關(guān)鍵因素。CFD在商業(yè)飛機設(shè)計中的應(yīng)用革命化地改變了氣動設(shè)計方法……在飛機發(fā)展中，CFD的應(yīng)用越來越多，這并不是因為它本身技術(shù)上的推動，而是因為市場競爭的結(jié)果。現(xiàn)在，CFD是氣動設(shè)計過程的主要部分，另外還包括風(fēng)洞和飛行試驗。在顯著縮短飛機研發(fā)周期方面，CFD是主要保證因素。如果我們希望保持競爭力，就別無選擇。”1998年，Lockheed Martin公司的P.Raj在一篇題為《21世紀的飛機設(shè)計》的論文中指出：人們之所以聚焦CFD，首要的原因是在飛機設(shè)計的每一個階段，CFD都扮演著中心的角色。在世界CFD的發(fā)展史上，美國國家宇航局（NASA）一直是最大的推動者，當(dāng)然也是最大的受益者。NASA對于CFD的發(fā)展及其應(yīng)用一直給予高度的重視：“以NASA的觀點，CFD是流動模擬和預(yù)估的一個令人興奮的新工具，一個本質(zhì)上沒有任何別的地面模擬技術(shù)固有限制的工具”。NASA總部計劃通過CFD技術(shù)將發(fā)動機和飛行器的設(shè)計時間和費用減少一半。CFD技術(shù)的廣泛應(yīng)用已經(jīng)使現(xiàn)代飛行器的設(shè)計方式發(fā)生了根本的改變：在方案設(shè)計和初步設(shè)計階段，數(shù)值計算已成為主要的設(shè)計手段，風(fēng)洞試驗僅僅對最終選定的設(shè)計方案進行有限的校核。在飛機詳細設(shè)計階段，CFD技術(shù)又可作為精確校核計算和進行風(fēng)洞試驗數(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)和補充風(fēng)洞試驗。在許多情況下，數(shù)值計算甚至可以直接提供設(shè)計數(shù)據(jù)。CFD技術(shù)的使用，大大減輕了風(fēng)洞的負擔(dān)，使風(fēng)洞試驗用于解決更為重要方面的問題及進行必要的驗證，大大縮短了設(shè)計周期，節(jié)約了經(jīng)濟成本，確保了飛機的高性能設(shè)計指標，對飛行器氣動力設(shè)計方式帶來了深刻的變化，產(chǎn)生了巨大的社會經(jīng)濟效益。目前，CFD技術(shù)與風(fēng)洞試驗相輔相成，已成為現(xiàn)代飛機氣動力設(shè)計的兩大重要技術(shù)手段，CFD技術(shù)在飛機設(shè)計中的應(yīng)用水平已經(jīng)成為評價飛機設(shè)計先進水平的主要標志。在現(xiàn)今的美國航空航天領(lǐng)域，CFD約占氣動設(shè)計工作量的70%，而風(fēng)洞試驗的工作量只占30%。無論從節(jié)省研制費用、縮短設(shè)計時間出發(fā)，還是從提高設(shè)計水平出發(fā)，在本世紀，由于計算機和CFD技術(shù)的進一步發(fā)展，CFD將給氣動設(shè)計帶來更大的革命。未來飛行器性能的確定，將依賴于在“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)成為大型民機研制中流動問題研究、氣動設(shè)計的主要手段之一。發(fā)動機在飛機上的合理吊掛對于飛機的結(jié)構(gòu)、動力、氣動等都有很大影響，發(fā)動機及其噴流和機身、機翼之間有著很強的流動相互作用，會誘發(fā)附加的流動阻力包括干擾引起的誘導(dǎo)阻力和機翼下表面超聲速區(qū)引起的波阻等。在波音公司，20世紀90年代前主要依靠風(fēng)洞試驗研究發(fā)動機的吊掛，但模擬發(fā)動機噴流的試驗難度大、費用高、周期長，也無法給出流動相互作用的機理性和規(guī)律性的解釋。所以傳統(tǒng)的做法是將發(fā)動機盡可能遠離機翼和機身，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)計一般要進行幾十次的風(fēng)洞試驗，每次試驗耗資約15萬美元。90年代以后，利用CFD，可以很清晰地刻畫出帶噴流的發(fā)動機和機身、機翼之間的流動干擾機理和規(guī)律，從而優(yōu)化出最佳的發(fā)動機吊掛方案，逐漸實現(xiàn)了近距布置?，F(xiàn)在，CFD方法逐漸取代了吊掛風(fēng)洞試驗，PW4098、GE90－115B 等吊掛設(shè)計已經(jīng)不再進行風(fēng)洞試驗，而完全由CFD完成。這顯著地縮短了設(shè)計周期，節(jié)省了研制費用，提高了設(shè)計質(zhì)量。在波音商業(yè)飛機部，為了支持各種產(chǎn)品，每年要運行超過2萬次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)小時或數(shù)天，而不是以前的數(shù)周或數(shù)月的時間提供及時的結(jié)果。CFD變革了機翼的設(shè)計方法，傳統(tǒng)的依賴經(jīng)驗和大量風(fēng)洞試驗的“試錯法”（Cut-and-Try）已經(jīng)被依賴CFD模擬的“反設(shè)計方法”和“多點優(yōu)化方法”所取代。這些新方法更快捷、更經(jīng)濟，更重要的是這些新方法設(shè)計出的機翼性能比傳統(tǒng)設(shè)計有了顯著的改進。傳統(tǒng)的“試錯法”需要設(shè)計幾十個機翼進行大量風(fēng)洞試驗，而新的CFD設(shè)計方法，只需要設(shè)計出2～3個性能最好的機翼，再放到風(fēng)洞里進行試驗驗證和最終選型。同樣，空客系列飛機在設(shè)計過程中從一開始就使用了全機N-S方程流場計算程序。又如波音公司在發(fā)展B777的詳細設(shè)計階段通過全機復(fù)雜構(gòu)型氣動計算發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機噴流使增升裝置的效率大為降低，經(jīng)調(diào)整發(fā)動機安裝方案，成功地解決了這一問題。波音公司在研制B777和新一代B737飛機時廣泛使用了CFD技術(shù)。歸納起來說，CFD的應(yīng)用包括：機翼設(shè)計、機身-發(fā)動機吊掛設(shè)計、副翼和襟翼的設(shè)計、垂尾和后體的設(shè)計、機頭與駕駛室設(shè)計、機翼-機身的連接等。歐盟、空客公司等同樣對CF D寄予重托。使用CFD產(chǎn)生設(shè)計用的數(shù)據(jù)，而風(fēng)洞試驗主要用于性能檢驗，并更多地專注于生成數(shù)據(jù)庫用以進行方法驗證確認。已計劃通過廣泛使用CFD，到2015年使常規(guī)風(fēng)洞試驗減少一半。 

    國內(nèi)CFD研究與應(yīng)用情況 

    我國運輸類飛機的發(fā)展過程實際上是一段測繪、仿制、改進的歷史。例如改進原蘇聯(lián) 20 世紀五六十年代的運輸機，組裝生產(chǎn)美國七八十年代的麥道干線飛機等。迄今為止，我國還沒有一個飛機研究所設(shè)計過任何大型飛機。在大型飛機設(shè)計上，我們不具備研制經(jīng)驗和手段。特別對一些關(guān)鍵的設(shè)計技術(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)展大型運輸機，不僅要依賴于現(xiàn)有飛機研制基地的潛力還要依靠國內(nèi)各行業(yè)的綜合能力，對相關(guān)重大基礎(chǔ)問題進行重點攻關(guān)，才能確保我國大型運輸機研制成功?！捌呶濉币詠恚覈腃FD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)計分析、機翼設(shè)計分析、翼身組合體分析、全機CFD計算軟件研究等方面的計算分析軟件。經(jīng)過多年的不懈努力，在克服了大量的技術(shù)難點后，開發(fā)了一系列可用于大型運輸機氣動研究和設(shè)計、機翼設(shè)計計算的CFD軟件。這些軟件系統(tǒng)，總體上達到國際90年代中期的先進水平，且擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)，可以在我國的大型軍民用運輸機部件氣動力設(shè)計中發(fā)揮重要作用。近幾年，國內(nèi)也引進了部分國外CFD商業(yè)軟件，進行航空航天飛行器流場計算，并在型號研制中取得了一定的效益。但是，這些引進的商業(yè)程序普遍存在著精度低、計算效率低、可靠性差、無源代碼等缺點。事實上，西方國家向我們推銷的CFD軟件往往是他們的低端產(chǎn)品。而真正在飛機設(shè)計中發(fā)揮核心作用的那些“IN HOUSE”程序，國外各大飛機公司都嚴格保密，我們是買不到的。為了發(fā)展我國的民族飛機工業(yè)，不受制于人，必須腳踏實地地研究自己的CFD計算方法和程序。這里給出一個我們課題組使用自己的CFD軟件的計算實例：M6機翼CFD計算。M6機翼是一個著名的經(jīng)典實驗?zāi)Ｐ?，在國際上被廣泛用作CFD考核計算模型。我們采用不同CFD格式計算了不同的流動條件。從試驗結(jié)果可以看出，我們的計算結(jié)果精度可靠，其精度同國際上已經(jīng)發(fā)表的相關(guān)計算結(jié)果一致，而計算效率遠遠高于商業(yè)CFD軟件。這說明，我們的CFD軟件同西方CFD軟件相比，在計算精度等方面并無大的差距，并且在計算效率和可靠性等方面具有優(yōu)勢。 

    結(jié)束語 

    CFD給飛行器氣動設(shè)計方式帶來了深刻的革命性變化，CFD技術(shù)與風(fēng)洞試驗相輔相成，已成為現(xiàn)代飛機氣動力設(shè)計的兩大重要技術(shù)手段，CFD的重要性和實用性應(yīng)當(dāng)?shù)玫街匾?。CFD在飛機研制中的作用越來越大、越來越成功，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。在大型民機的研制中，在節(jié)省研制經(jīng)費、縮短研制周期、提高研制質(zhì)量等方面，CFD都具備它獨有的優(yōu)勢可以發(fā)揮十分重要的作用。我國在CFD計算精度、可靠性等方面，基本上已經(jīng)達到歐、美國家的先進水平，在我國大型民機研制中，應(yīng)該相信我們自己的CFD能力著力開發(fā)，為大飛機的研制作出應(yīng)有的貢獻。