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CFD技术发展及其在航空领域中的应用进展

罗磊;高振勋;蒋崇文

【摘要】综述了计算流体力学(CFD)技术的近期发展情况,及其在航空领域的应用

现状.在CFD技术发展方面,从计算格式、网格方法、湍流模拟3个方面进行了综

述,并对未来CFD技术的发展方向进行了展望.在CFD技术的应用方面,重点介绍了

飞行器外形优化、旋翼/直升机、非定常绕流、多体分离和进气道等重点应用领域

的现状.

【期刊名称】《航空制造技术》

【年(卷),期】2016(000)020

【总页数】5页(P77-81)

【关键词】计算流体力学;空气动力学;航空;飞行器

【作者】罗磊;高振勋;蒋崇文

【作者单位】北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191;北京航空航天

大学航空科学与工程学院,北京100191;北京航空航天大学航空科学与工程学院,北

京100191

【正文语种】中文

计算流体力学（ComputationalFluidDynamics，CFD）自20世纪60年代随计

算机技术的不断进步而迅速发展，如今已深入到包括航空、航天、船舶、水利、冶

金、建筑、化工等工程领域的各个方面，取得了巨大的成就。航空领域是最早应用

和发展CFD技术的领域，在半个多世纪的时间里，航空工程界形成了一套行之有

效的CFD技术应用方式，充分合理地利用CFD技术优势，有效缩短了技术研发与

型号研制的周期。在当今航空领域迅猛发展的形式下，CFD技术展现出巨大的应

用价值和发展潜力。本文旨在综述CFD技术近期的发展情况，并展望未来CFD技

术的发展方向，以及介绍CFD技术在航空领域应用的现状。

1CFD技术发展

随着CFD技术发展的深入，CFD面临着越来越多的困难。本文从计算格式、网格

方法、湍流模拟等方面介绍CFD技术的必威体育精装版发展情况。

在CFD领域中，低阶格式由于其鲁棒性和可靠性，被广泛用于工程实际的计算中。

尽管低阶格式已在复杂外形的复杂流动数值模拟中取得了巨大成功,但低阶格式具

有较大的数值耗散与色散。对于复杂问题，如含有激波、湍流、非线性作用和多尺

度问题，必须采用耗散和色散小的高阶格式。高阶格式比低阶格式达到相同精度的

效率更高也是其在工程应用中的一大优势。近几年发展较多的高阶格式有：有限差

分高阶格式[1]、间断Galerkin有限元法[2]、ENO/WENO有限体积法[3]、有限

谱差分法[4]、有限谱体积法[5]、混合DG/FV方法[6]。其中，间断Galerkin有限

元法和相应的混合方法由于其优越性，成为高阶格式研究的热点。最近提出的通量

重构法（FluxReconstruction,FR）或CPR法（CorrectionProcedureusing

Reconstruction,CPR）将这些高阶格式统一在同一个框架之下，引起了研究者的

广泛关注。

高质量地生成计算网格是CFD计算的前提条件，是影响CFD计算结构最主要的因

素之一。网格最大的问题在于人工工作量大，是CFD工作效率的瓶颈问题之一。

设法简化网格生成、减少网格生成中的人工工作量、提高网格对复杂外形和运动边

界问题的适应性是网格算法设计者的目标。目前在网格方面发展的主要领域包括自

动化网格技术[7]、重叠网格[8]、笛卡尔网格[9]与自适应网格加密技术[10]。在自

动化网格生成技术方面,还有许多难题没有得到彻底解决，如在多种网格生成算法、

自适应网格加密算法、网格生成的并行算法等方面还有待进一步提高[7]。在重叠

网格方面，基本网格装配方法必须考虑一些复杂问题，例如针对细薄物体、非封闭

外形的挖洞等一些特殊问题；适应多尺度复杂外形的挖洞方法在基本网格装配方法

中有待进一步研究；自动网格装配方法相比于基本网格装配方法，具有更好的网格

装配效率和更高的自动化程度，更适合用于非定常流动的数值计算。最近发展的笛

卡尔网格技术也因笛卡尔网格在CFD计算中的优越性，表现出了较大的研究潜力，

特别是切割单元法满足了全局和当地的守恒律，研究的重点将落在构造精确的切割

界面处的数值通量算法与解决切割单元的突变所带来的数值振荡问题。自适应网格

加密技术通过网格加密，即改变节点数目和单元尺寸来达到提高网格求解精度的目

的。主要分为两种基本类型：全局网格加密与局部网格加密。相比于全局网格加密，

局部网格加密能在不增加太多计算量的前提下提高求解精度，因而被广泛应用于求

解复杂外形、化学