风洞在数字化时代仍不可或缺

风洞在数字化时代仍不可或缺

美国航空周刊和空间技术网站记者最近对欧洲航空企业和相关机构的气动专业人员进行了采访,采访的对象包括位于德国科隆的欧洲跨声速低温风洞(ETW)负责气动试验的项目经理马丁·怀特,达索首席技术官布鲁诺·斯图弗雷特,法国航宇研究中心(Onera)负责大型风洞的帕特里克·瓦格纳等。

采访对象们认为,计算流体力学(CFD)正推动着风洞变革的脚步,但并没有弱化风洞在飞行器设计中的作用——风洞在数字化时代仍然不可或缺。风洞在未来的作用体现在:利用风洞验证数字化工具的设计结果;用计算工具解决设计点问题,利用风洞试验关注飞行包线的其他状态;相对于CFD,风洞在绘制极曲线和获得大规模数据上更加高效。

CFD能力受限,“挑战极限”需要风洞试验

达索的斯图弗雷特认为,借助CFD,可以通过自动优化寻找最优的气动外形(例如阻力最小),“我们已经开发基于CFD的优化技术超过15年,这种方法现在的确非常有效,唯一的限制就是设计方案要接受理想设计外形和真实制造外形之间的小误差。”

Onera的瓦格纳认为,计算科学的进步虽然很大(计算能力保持每2年翻倍),但是并没有使得CFD技术在所有方面能够匹敌风洞的试验能力。

瓦格纳表示,CFD从21世纪初开始已经能够提供相对精确的计算结果。但新飞机的设计工程师需要挑战行业知识的极限。“为了验证新的设计,你必须进行风洞试验。”计算可以用在初步设计阶段,但启动详细设计之前的确认必须要尽可能的精确。唯一的例外可能是在役飞机的新改型,比如空客A320neo。瓦格纳认为,“当你对现役飞机进行升级而没有重大气动创新时,实际上无需进行风洞试验。”

数字化时代风洞的存在理由不久后将变得愈发明显。如果飞机制造商开发全新的飞机,如翼身融合体(BWB)布局飞机,大量的试验工作仍需进行。瓦格纳表示,“为了验证突破性的创新,你不得不克服大量的技术壁垒,这需要试验。”研究全新布局需要确认试验数据构建模型,例如,层流机翼的实现必须经过大量的试验。

计算机对于开发这样的突破性创新概念能力是不足的。例如,对于重新兴起的开式转子发动机,在风洞试验前设计师对其气动效率和噪声级别并没有清晰的概念。气动方程是非常复杂的,目前的计算方法都是对其进行了不同程度的简化,对于飞行包线中的部分状态无法计算。

风洞试验技术也将迎来新的发展

风洞仍然是不可或缺的,因为所有的航空工业的参与者都努力缩短飞机的设计周期。未来,工程师将能够在风洞中使用大数据技术进行大量的随机测量来构建大型点云。从那里,他们能够推断出所需数据。瓦格纳认为,这种方法已经被注意到并开始得到开发,但还远未成熟。

风洞试验在绘制大量极曲线和获得数据量方面相比CFD具有更高的效率。鲁格(Ruag)公司瑞士埃曼大型亚声速风洞负责人表示,传感器和数据获取方法的进步使得设计师能够以更高的时间和空间分辨率进行更快和更加精确的测试。

风洞试验和CFD应发挥更多的协同综合效应

瓦格纳,在CFD和风洞之间可以发现更多的协同综合效应。例如,CFD能够帮助提高风洞性能,“风洞试验由于洞壁干扰和模型支撑的存在结果会有偏差,利用CFD工具可以减小这些偏差。”风洞试验也可帮助CFD改善计算结果,“如果你有一个软件程序在飞行包线的一部分上计算效果非常好,但并不适用于全部包线,你可以进行风洞试验并根据试验结果修正软件。”另外一个协同效应的例子是,建立飞行控制律时结合风洞试验和CFD计算的结果创建气动数据库。

法国国防部最近已经认识到Onera风洞的价值,向S1风洞拨款2000万欧元进行基础设施建设,包括开展大量的工作阻止由于地基下沉引起的风洞损坏。瓦格纳表示,“向印度销售的达索‘阵风’战机需要法国的风洞提供支持,确保针对印度空军的任务构型能够成功。”

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