淺論空氣動力學研究面臨的挑戰(zhàn)與機遇
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空氣動力學研究中面臨的挑戰(zhàn)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(guī)律和伴隨發(fā)生的物理化學變化,在流體力學基礎(chǔ)上,隨著航空工業(yè)和噴氣推進技術(shù)的發(fā)展而成長起來的一個學科。空氣動力學的發(fā)展對于航空航天飛行器的研制有著極為重要的意義,是航空航天最重要的科學技術(shù)基礎(chǔ)之一,對國家安全、經(jīng)濟發(fā)展、社會和諧都有著重要和用。在過去一段時間里,由于航空工業(yè)的相對成熟,關(guān)于航空領(lǐng)的研究更多的集中于如何通過改進制造過程降低成本,而不再將主要力量投入新技術(shù)的研究,但隨著國際形勢的日益嚴峻、信息化程度的提高以及航空運輸對安全性經(jīng)濟性的要求,航空技術(shù)研究面臨著更多更新的挑戰(zhàn),使得全球重新提高了對航空技術(shù)研究的關(guān)注程度。作為航空航天技術(shù)的重要基礎(chǔ)學科之一的空氣動力學,也面臨著全新的機遇和挑戰(zhàn)。
1 空氣動力學研究意義和研究現(xiàn)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(yè)的迅速發(fā)展之后,是在經(jīng)典流體力學中發(fā)展并形成的新的分支,并且迅速成為發(fā)展航空航天各類飛行器的重要基礎(chǔ)科學和關(guān)鍵技術(shù),推動整個人類航空航天事業(yè)的發(fā)展,成為航空航天事業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。如今,空氣動力學已經(jīng)不再僅只是應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,還被應(yīng)用于環(huán)境保護、公路交通、鐵路交通、冶金、建筑、體育等眾多領(lǐng)域,對整個人類社會的發(fā)展與進步都有著極為深遠的影響。 思想?yún)R報 /sixianghuibao/
1.2 空氣動力學研究現(xiàn)狀
在20世紀90年代,隨著航空工業(yè)的迅速發(fā)展,使得航空工業(yè)整體技術(shù)程度相對于其它行業(yè)都成熟許多,基于此種原因,在較長一段時間里學界多認為航空工業(yè)已經(jīng)走向成熟,尤其是空氣動力技術(shù)基礎(chǔ)技術(shù)方面,因此航空工業(yè)的研究將更多的集中于成本費用的降低,而減少了對應(yīng)用技術(shù)的研究重視程度,使得空氣動力學的研究相對緩慢。進入21世紀以后,隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、飛機設(shè)計技術(shù)等的發(fā)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(fā)展。如以Euler及Navier.Stokes方程為主要數(shù)學模型的整機及部件繞流流場和氣動特性計算研究領(lǐng)域,在我國即得到了極大的發(fā)展,并被應(yīng)用于很多重點型號的研制中;再如飛機多外掛氣動干擾特性研究、現(xiàn)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(lǐng)域也取得了突出的成績,很多研究成果處于國際先進水平。
2 空氣動力學研究所面臨的挑戰(zhàn)
傳統(tǒng)的認為空氣動力學本文由畢業(yè)論文網(wǎng)http://m.78375555.com收集整理研究已經(jīng)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(shè)計技術(shù)、微型飛行器、行星探測飛行器的發(fā)展,必然向空氣動力學的研究提出新的挑戰(zhàn)。 簡歷大全 /html/jianli/
3 先進飛機器研制需求所帶來的挑戰(zhàn)
隨著航空交通事業(yè)的不斷發(fā)展,以及出于國家安全等方面的需要,對先進飛行器的研制需求不斷提高。如高機動性作戰(zhàn)飛機、可重復(fù)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、智能飛行器、無人偵察機、戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、應(yīng)用衛(wèi)星、概念武器等,都對空氣動力學的研究提出了更多的挑戰(zhàn)性課題,需要空氣動力學從復(fù)雜流場預(yù)測、噴流干擾、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(shù)流動力學、地面效應(yīng)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,包括復(fù)雜的物理化學變化效應(yīng)的影響,難度極大。
例如,大容量運輸機的研發(fā),首先需要解決大容量運輸機高燃油效率、低噪聲、常規(guī)跑道起飛著陸能力的需要。在這里,雖然高燃油效率可以通過混合層流控制技術(shù)(HLFC)、發(fā)展新型發(fā)動機、采用高效的氣動設(shè)計方面來進行滿足,但這些技術(shù)要應(yīng)用到大型飛機、高Re數(shù)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(guān)注的問題,必須充分將聲學研究向氣動研究結(jié)合在一起進行。同時,還必須考慮增升阻力、尾渦效應(yīng)、發(fā)動機噴流和外流干擾效應(yīng)等。
3.1 自適應(yīng)流動控制需要所帶來的挑戰(zhàn) 論文網(wǎng) http://m.78375555.com
傳統(tǒng)空氣動力學對繞復(fù)雜物體的流動,多集采用渦發(fā)生器、吸氣、吹氣、肋條等技術(shù)進行模擬研究,但這種研究主要集中于流動的被動控制,隨著近年來電子技術(shù)、軟感技術(shù)、材料技術(shù)等的發(fā)展,傳統(tǒng)的集中于被動控制的研究存在許多不足,必須對宏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(fā)展有著極為重要的意義。只有提高自適應(yīng)流動控制研究水平,才能提高自適應(yīng)流動控制技術(shù),為飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計提供更為全面的飛行控制函數(shù),以有效減輕飛機重量和飛行能力。
自適應(yīng)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(yīng)流控制技術(shù)對于去不穩(wěn)定性擾動源的影響極為重要,是未來飛行器發(fā)展所需要解決的一項關(guān)鍵性技術(shù),對于簡化吸氣裝置和相關(guān)系統(tǒng)都有著極為重要的意義。邊界層流分離流動控制技術(shù)則駐地改善飛機氣動性能有著重要意義,需要進一步研究射流、湍流、目標流場、近壁面壓力分布等方面的關(guān)系。高升力流動控制技術(shù)對于飛行器增升裝置的研發(fā)有著重要意義,需要進一步研究如何在不降低飛機性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(zhàn)
噪聲控制是飛機設(shè)計所需要考慮的一個重要內(nèi)容,尤其是隨著航空對“安全性、經(jīng)濟性、舒適性和環(huán)保性”的要求的不斷提高,飛機噪聲問題被各界所廣泛關(guān)注。根據(jù)國際航空運輸噪聲標準規(guī)定,飛機噪聲輻射在2017年要降低20EPNdB,而要在不影響氣動性能和推力的情況下降低噪聲,就必須在技術(shù)上進行巨大的革新,實際上現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)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(tǒng)、飛機結(jié)構(gòu)之關(guān)的關(guān)系進行進一步的研究。 思想?yún)R報 /sixianghuibao/
在航天航空發(fā)展需求給空氣動力學研究提出更多更新的挑戰(zhàn)的同時,現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)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(fā),提高計算速度度和計算精度�？諝鈩恿W研究所面臨的最大的難點是空間的邊界問題,先進的計算工具對于提高其計算精度和速度有著極為重要的意義。目前所采用的算法,如CFD算法、多重網(wǎng)格方法、RANS方法等,對計算機性能都有著極高的要求,比如RANS方程的計算即完全受計算機內(nèi)存和速度的限制,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(guān)尺度效應(yīng);再如CFD在精確預(yù)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(xiàn),尤其是飛行Re數(shù)下分離流發(fā)生的時刻和位置的模擬,更是極為困難。但隨著計算機性能的不斷提升,尤其是巨型計算機技術(shù)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(shù)、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(yù)測整個飛行條件下飛行器的各項性能,驗證新技術(shù)的應(yīng)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、對流場特征的驗證、對自適應(yīng)粘性流動區(qū)域的湍流驗證等。計算機技術(shù)的提高和算法的完善,使得模擬分析驗證能力有了極大的提高,對于空氣動力學的研究提供了極大的便利。 論文代寫 http://m.78375555.com
4.3 風洞試驗?zāi)芰Φ奶岣邘硇碌臋C遇
風洞試驗?zāi)軌蛱峁└呖煽康奈锢砟Ｐ湍M數(shù)據(jù),并能對各種流動現(xiàn)象機理進行解釋,并驗證各類計算軟件的可靠性,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采用簡單的拓撲結(jié)構(gòu)來模擬全模各部件間的干擾現(xiàn)象、流動規(guī)律。為了得到最全面可靠的數(shù)據(jù),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?zāi)芰Φ玫搅藰O大的提高,為獲取全面可靠的風洞試驗段流動特征提供了更堅實的基礎(chǔ)。
5 結(jié)語
總之,隨著航空航天發(fā)展的需要,尤其是新型飛行器發(fā)展的需要,給空氣動力學的研究帶來了更大的挑戰(zhàn),促使空氣動力學的研究更多的與其它學科進行聯(lián)系,進一步發(fā)展流動控制理論和噪聲控制理論,進一步提高微傳感器技術(shù)和激發(fā)技術(shù)。在面臨巨大的挑戰(zhàn)的同時,伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)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(chǔ)�？梢灶A(yù)測,在未來空氣動力學的研究必將取得巨大的進步,為經(jīng)濟建設(shè)、人民生活和國家安全作出更大的貢獻。
