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未来的飞行 征服湍流之路

作者：黎艳

2011年巴黎航展上，太阳能飞机再次亮相引爆了人们对未来飞行使用清洁能源的想象。在追逐太阳飞行的历史上，曾有过一架著名的太阳能飞机“太阳神号”无人机，耗资1500万美元，由美国国家航天局和美国航空环境公司联合研制。2001年“太阳神”创下了无燃料飞行器飞行最高海拔高度的纪录，但在2003年，该机由于试验时遭遇湍流而解体，坠入太平洋。

什么是湍流？它在流体力学中占有何种特殊而重要的地位？

ANSYS湍流模型的开发者Florian Menter教授认为，湍流是经典物理学中最后一个未被解决的世纪难题，“我们试图把一些规则带入软件领域，解决这类混沌问题，但在应用这一工具去研究时，我们需要更加的谨慎。”

CFD的湍流时代

在日常生活中我们会时常接触到层流和湍流现象。当水从水龙头慢慢流出时，水流是光顺有秩序的，这种流动状态就是层流。当提高流速，水流会变得杂乱无序，此种状态就是湍流。类似情况，如开车速度加快，车后的湍流漩涡增加，进而阻力增加。自然界中客观存在的湍流现象还有许多。

尽管湍流问题很难完全解决，但通过CFD软件，采用一定方法却能够模拟其流动的真实情况，解决一些工程实际问题。

Florian教授说，湍流模型经过近20年的发展，现如今，大约有120多种湍流模型被用于分析各种湍流问题。由于某些模型会使软件架构庞杂、求解困难，一些软件不愿将其包含其中。大部分软件则包含了许多基础的湍流模型，其中有些是类似的。

很难说哪个模型是最好的，需要分析师尝试不同的模型。在各种情况下，选择不同的模型对结果是有影响的，有时甚至是决定性的。Florian教授谈到，用户往往是先选择一种模型然后等待求解结果，很难做出合理的判断。究竟应采用哪个模型，需要用户根据多年的实践经验对湍流做出合理的判断。因此，目前很多用户对于CFD软件中多种湍流模型的选择，仍然感觉麻烦，有时甚至觉得无从下手。

为了帮助用户，ANSYS公司在其CFD软件中提供了一系列稳定可靠、具有普适性的湍流模型。在指导用户如何选择这些模型时，可按照由简到难、从精度低到精度很高的方式对模型进行层级划分，方便用户准确选择合适的模型加以应用。

ANSYS CFD系列产品在湍流模型的应用上，一直是业界领先的。数年前，Florian教授提出的Shear Stress Transport（简称SST）湍流模型，其优异性已被业界广泛认同。该模型结合了K-ε和K-ω两种湍流模型的优点，并在一定剪切应力条件下限制使用，对壁面处流动能自动处理。在处理大多数稳态和非稳态问题时都是强有力的工具，在很大应用范围内都是高效和精确的计算模型。

基于SST模型拓展而来的尺度自适应模拟模型SAS，可以在流体分离区模拟涡流，它提供了一个足够小的涡粘系数，容许在不稳定条件下大尺度涡团破裂为较小的涡团，求解结果更接近真实。

数年来，Florian教授带领的研发小组与GE航空、空中客车公司开展了长时间密切合作，针对航空航天企业实际分析难题，开发出具有扩展性的特殊应用组件。

针对层流和湍流如何判断、转捩这样的业内难题，ANSYS公司曾与通用电气公司联合研发，开发出一种从层流到湍流的转捩模型，适用于近壁面湍流模拟。这种创新的方法无论对三维非结构网格，单处理器或并行计算，都表现出良好的运行性能。最终，CFD转捩模型在航空航天和涡轮机械领域的应用中，证明是确定转捩位置和长度的必备工具。

可以说，航空航天领域集中了最先进、最核心的仿真工程技术，如流体动力学、结构力学、电磁场和多物理场协同分析等。ANSYS在该领域也重点部署和推广了相对应的产品，ANSYS Fluent、ANSYS CFX、ANSYS Icepak和ANSYS Mechanical软件包，提供设计和分析工程师所需要的、跨越学科的设计工具。那么这些产品如何实现一个卓越的技术耦合呢？

客户化及行业化开发平台

ANSYS有自己的产品平台。航空航天行业总监Robert Harwood说，ANSYS的CAD/CAE协同环境AWE（ANSYS Workbench Environment）直接读入各种CAD软件的零件模型，并在其统一环境中实现任意模型装配和CAE分析。

在航空航天企业研发中心中，通过AWE环境，NX、Pro/E等CAD模型以链接的方式共享，避免了导入的模型特性丢失、参数等信息不能传递等问题，实现CAD-CAE参数双向传递。例如设计师修改CAD软件中的几何设计参数， CAE软件中的几何模型将同时获得更新；分析师修改CAE软件中的几何设计参数， CAD软件中的几何模型也获得同步刷新。

针对多种型号产品的研发流程，AWE可作为一个开放性的应用开发平台，不仅构建一个与系统集成的设计仿真协同环境，而且可以实现各种产品型号、系统专用研发平台开发。这里，ANSYS把成熟的CAE软件重构为CAE技术组件，也称为API，协同仿真环境由这些组件装配而成。用户可以方便地重新装配这些组件，形成用户定制的协同仿真环境，同时放弃不需要的原有组件，达到真正量身订制，短小精悍。另外用户也可自己开发新的组件，与ANSYS组件并行使用。

一旦获得这些流程化、规范化和专业化的研发程序，即使不具备专业的仿真技能和经验，用户也可以在产品设计研发中进行各种各样必要的仿真分析，提出高效能的零部件产品设计方案，确保航空航天产品在面对复杂状况时，达到质量和性能的稳定性与可靠性要求。

从航空航天飞行器外形设计，到发动机和油气管道设计，再到气象气候预报，都涉及到对湍流问题的认识，可以说湍流无所不在。失败和不完美一直存在于人类追逐太阳飞行的路上，然而尽管面对湍流极端复杂性等诸多困难，人类仍依靠自身的智慧飞上了天空，并对美好的未来充满无限向往。正如Florian教授所言，“这不仅是航空航天业的一次彻底变化，也将是科技界技术手段的一次革命。”