MCAD 建模是航空業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的工作流程，現(xiàn)在同步CFD 軟件也將給航空企業(yè)帶來諸多好處。在航空產(chǎn)品研發(fā)的過程中，涉及到流體流動(dòng)建模和仿真的應(yīng)用有數(shù)百個(gè)之多，其中包括：

　　􀁺 引擎入口，旁通和排氣系統(tǒng)

　　􀁺 風(fēng)道，歧管，過濾器，閥門，噴嘴和泵

　　􀁺 各種水利系統(tǒng)

　　􀁺 燃油系統(tǒng)和油箱

　　􀁺 電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)

　　􀁺 熱交換器和散熱器

　　􀁺 燃油和空氣過濾系統(tǒng)

　　􀁺 乘客座艙通風(fēng)和熱管理

　　􀁺 環(huán)境控制系統(tǒng)

　　􀁺 防結(jié)冰系統(tǒng)

　　􀁺 排放物控制和減噪系統(tǒng)

　　􀁺 導(dǎo)彈和火箭內(nèi)外的空氣動(dòng)力學(xué)和熱交換

　　􀁺 薄膜冷卻和動(dòng)力加熱系統(tǒng)

　　􀁺 制動(dòng)和推力反向系統(tǒng)

　　􀁺 結(jié)構(gòu)表面亞音速和超音速流動(dòng)

　　􀁺 整個(gè)飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)

　　􀁺 例如機(jī)翼，機(jī)身，發(fā)動(dòng)機(jī)艙，推力室，外部天線和風(fēng)擋刮水器等零部件的空氣動(dòng)力學(xué)

         現(xiàn)在我們來看一些現(xiàn)實(shí)中證明CFD 高效率的實(shí)例，這些實(shí)例往往都有研發(fā)周期短，品質(zhì)要求高，成本要求低的特點(diǎn)。

　　案例一：Bell Helicopter 改進(jìn)油箱設(shè)計(jì)和節(jié)省油箱成本

　　要求

　　Bell Helicopter 是一家為許多商業(yè)和軍事客戶設(shè)計(jì)直升機(jī)的企業(yè)。對(duì)軍事客戶設(shè)計(jì)的直升機(jī)需要具有防御功能，以便在各種環(huán)境中保護(hù)直升機(jī)和內(nèi)部人員。Bell Helicopter 需要一種非常經(jīng)濟(jì)的評(píng)估方法，用以得到可靠的分析結(jié)果指導(dǎo)直升機(jī)的設(shè)計(jì)。

　　Bell 的工程師被要求重新考慮和優(yōu)化直升機(jī)的一個(gè)子系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)將氮?dú)庾⑷氲街鄙龣C(jī)的油箱中，以取代氧氣作為燃料的消耗。這樣即便油箱被導(dǎo)彈擊中，也不會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)。假設(shè)直升機(jī)處于敵人的火力之下，需要盡可能快的駛離現(xiàn)場(chǎng)，所以注入的氮?dú)獗仨氀杆偬畛錆M油箱。

　　在直升機(jī)起飛駛離現(xiàn)場(chǎng)之前，飛行員必須等待多長(zhǎng)時(shí)間?什么時(shí)候他或她完全有信心油箱中的氣體不會(huì)危及飛機(jī)的安全?這是一個(gè)時(shí)間問題，更是一個(gè)爭(zhēng)分奪秒的問題。

　　通常，這類問題可以通過實(shí)際的物理測(cè)試得到答案。但測(cè)試方法昂貴，并且耗時(shí)很長(zhǎng)。Bell 公司自身的特點(diǎn)會(huì)使測(cè)試的費(fèi)用成倍增加，主要是因?yàn)橹鄙龣C(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)是由歐洲的分包商負(fù)責(zé)，其它涉及的公司員工必須攜帶昂貴的設(shè)備到歐洲進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試工作。

　　解決方法

　　負(fù)責(zé)進(jìn)行評(píng)估工作的工程師選擇Mentor Graphics 的同步CFD 軟件FloEFD 對(duì)直升機(jī)油箱內(nèi)部的氣體流動(dòng)特性進(jìn)行分析。她參考了Bell 評(píng)估的詳細(xì)工作步驟和實(shí)際的油箱形狀。她從Bell 整合產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)處獲得了初始條件，并且將其作為實(shí)體模型的邊界條件。在FloEFD 完成網(wǎng)格劃分之后(圖5)，她對(duì)油箱進(jìn)行了詳細(xì)了分析，以獲得油箱分析的網(wǎng)格獨(dú)立解。油箱外部的溫度對(duì)于油箱的狀況有非常重要地影響。劃分的網(wǎng)格必須能夠精確的捕捉到流體流動(dòng)方面的細(xì)小特征。

　　在網(wǎng)格劃分和定義完成之后，工程師對(duì)模型進(jìn)行求解并且生成后處理可視化圖片(圖6)。FloEFD 也可以生成一個(gè)氧氣濃度隨時(shí)間變化的圖表。

　　結(jié)果

　　由仿真結(jié)果得到的氧氣濃度等值面圖表明油箱的某些區(qū)域沒有足夠的氣體進(jìn)口。相應(yīng)的這個(gè)潛在的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)被以比實(shí)驗(yàn)測(cè)試低很多的代價(jià)進(jìn)行證實(shí)和解決。其中的一個(gè)解決方案就是增加一個(gè)輔助的氣體再分配噴嘴。如果到了模型測(cè)試階段再發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題，需要解決問題的花費(fèi)是相當(dāng)大的，并且有可能延誤項(xiàng)目的研發(fā)。

　　圖 Bell 工程師使用FloEFD 軟件劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格質(zhì)量影響油箱內(nèi)流體流動(dòng)的分析結(jié)果。局部的網(wǎng)格加密有助于獲得精確的分析結(jié)果。

　　在沒有專業(yè)CFD 分析專家介入的情況下，F(xiàn)loEFD 可以使工程師評(píng)估和改進(jìn)方案設(shè)計(jì)。及時(shí)和精確的FloEFD 分析節(jié)省了研發(fā)后期設(shè)計(jì)方案更改的費(fèi)用。此外，工程師可以解決方案設(shè)計(jì)中的問題，從而節(jié)省了分析專家的人力和時(shí)間。

　　案例二：Liebherr-Aerospace Toulouse SAS 通過仿真分析確保乘客舒適度

　　要求

　　Liebherr-Aerospace Toulouse SAS 位于法國(guó)圖盧茲，是一家歐洲領(lǐng)先的飛機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)制造商。這家公司意識(shí)到自動(dòng)設(shè)計(jì)工具可以降低成本和提升產(chǎn)品品質(zhì)，所以著手開始比較當(dāng)前通風(fēng)系統(tǒng)的流體流動(dòng)仿真分析和實(shí)際測(cè)試結(jié)果。

　　在與 CERFACS 合作研究之后，Liebherr-Aerospace 接洽Mentor Graphics 的MAD，以評(píng)估FloVENT在機(jī)艙內(nèi)模擬空氣循環(huán)的能力。FloVENT 是一款模擬各類空間內(nèi)外空氣流動(dòng)，熱交換和污染物分布的CFD 軟件。通常會(huì)用于評(píng)估建筑物和船艙內(nèi)的空氣流動(dòng)，當(dāng)然FloVENT 也可以對(duì)汽車和飛機(jī)等小空間進(jìn)行熱流分析。

　　由于 Liebherr-Aerospace 將一個(gè)現(xiàn)有安裝通風(fēng)系統(tǒng)的評(píng)估項(xiàng)目作為參考點(diǎn)，所以有大量的測(cè)試數(shù)據(jù)可以與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。為了確保研究的公正性，Mentor Graphics 的工程師在進(jìn)行仿真分析時(shí)，不參考任何測(cè)試數(shù)據(jù)。

　　解決方法

　　項(xiàng)目分析的第一個(gè)挑戰(zhàn)就是要證實(shí)Liebherr-Aerospace Toulouse 提供的3D CAD模型可以有效地輸入至FloVENT 使用。這些包含座位和駕駛室設(shè)計(jì)的CAD 文件由CATIA MCAD 軟件輸出。

　　CATIA 輸出的文件格式僅僅是FloVENT 所能使用CAD 文件格式的一種，并且這種CAD 文件格式很容易被FloVENT 所使用(圖7)。這就給了Mentor Graphics 工程師模擬分析所需要的信息。他們之所以采用這種建模方式，主要是因?yàn)槠浣：颓蠼鈺r(shí)間較短。如果希望模擬整個(gè)飛機(jī)的座艙，這也是可行的。

　　結(jié)果

　　整個(gè)項(xiàng)目的評(píng)估的工作耗時(shí)三個(gè)星期左右，完成了幾個(gè)模型的仿真分析。最終的結(jié)果和預(yù)期一樣：

　　FloVENT 成功地模擬了Liebherr-Aerospace Toulouse 飛機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的性能。Liebherr-AerospaceToulouse 的工程師證實(shí)座艙內(nèi)的仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)非常接近。Fanger 熱舒適計(jì)算是FloVENT 的一個(gè)工具，可以用于評(píng)估通風(fēng)系統(tǒng)性能。

　　Mentor Graphics 和Liebherr-Aerospace Toulouse SAS 一起合作，證實(shí)了飛機(jī)座艙的仿真分析可以獲得測(cè)試一樣精確的數(shù)據(jù)。最為重要的是，三個(gè)星期的仿真時(shí)間表明FloVENT 的用戶可以大幅度減少樣機(jī)的花費(fèi)和縮短研發(fā)周期。