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涡流脱落对飞机性能有重大影响
水壶在水沸腾时发出嘶嘶声是什么原因？为什么大风时桥梁会摇晃？这些常见现象是流体流过身体产生旋转运动的结果。这种行为称为涡流脱落。这种流动现象也可以应用于复杂的工程应用，例如航空航天、能源或建筑行业，其中流动可能会引起噪音、振动或阻力。
在航空航天设计中，由于飞机机体与流过它的风之间的相互作用，可能会发生涡旋脱落。涡流脱落的频率直接受机翼的形状及其在特定空速下的行为方式的影响。深入了解涡流脱落与飞机设计之间关系的更好方法是通过有效的CFD 模拟。
在本文中，我们将了解使用计算流体动力学 (CFD) 的涡流脱落模拟如何帮助我们了解通过飞机机身时遇到的流动模式，以及仔细的设计考虑对于减少任何负面影响是多么重要。
涡流脱落是流体通过阻流体时产生的流动现象，引起涡流的形成。漩涡是沿着物体的每一侧交替出现的漩涡图案。
在飞机中，机翼、机身和其他结构部件在气流途中起到阻流体的作用。当飞机移动时，这些组件将气流分开，形成涡流。在飞机机翼中，这发生在机翼的后缘，在下游留下一股湍流的空气尾迹。尾流湍流导致飞机后方形成一系列涡流，即涡流脱落。
飞机涡流脱落的频率取决于许多因素，如下所列。
| 表面粗糙度 | 表面粗糙度导致气流更早分离，形成更不稳定和更大的涡流。 |
| 攻角 | 在低攻角下，没有涡流脱落。 随着攻角的增加，分离开始发生得更早，导致涡旋脱落频率增加，脱落模式更强。 |
| 速度 | 气流的速度影响涡流的形成和行为。 高空速意味着高涡流脱落频率——气流与结构之间更强的相互作用导致频繁的涡流脱落。 |
| 流动行为 | 层流（低雷诺数）通常几乎没有涡旋脱落。 湍流行为（高雷诺数）会在较高频率下产生许多较小的复杂模式涡流。 |
在飞机设计过程中，必须仔细研究上述因素的综合影响，避免对飞机的安全和性能产生重大影响。一种方法是使用涡旋脱落模拟。
涡流脱落对飞机中引起的升力和阻力有显着影响。这些空气动力的预测及其对飞机性能的影响通过基于 CFD 的涡流脱落模拟得到简化。工程师可以模拟飞机周围的流动行为来分析涡流脱落频率并评估其对“钝体”部件的影响。获得的结果可以为有关空气动力学表面设计优化的决策提供信息，从而最大限度地减少涡流脱落对飞机性能和稳定性的影响。
涡旋脱落分析的 CFD 模拟涉及求解与飞机表面周围流体运动相关的Navier-Stokes 方程。可以分析表面上的压力分布以计算作用在飞机上的升力和阻力。飞机涡流脱落现象的常见观察是阻力增加、噪音增加和升力降低。
以下是涡流脱落仿真可以帮助进行飞机性能分析的几种方式。
| 升力和阻力分析 | 分析飞机表面的流动行为和压力分布。 交替的低压区和高压区或流动分离会降低升力。 湍流涡流的形成增加了气动阻力。 |
| 稳定性分析 | 分析飞机表面周围的流动行为，以确定影响稳定性的涡流脱落效应，例如： 抖振 振动 尾流 滚动不稳定 |
| 噪声分析 | 确定由于涡流脱落而容易产生噪音的区域。 音调噪音——靠近机翼、机尾或发动机舱。 宽带噪声——飞机的尾迹；在起飞和降落时更为明显。 |
深入了解影响飞机性能的上述因素，使系统设计人员能够做出必要的设计优化决策，从而最大限度地提高飞机的空气动力学效率和性能。
使用 CFD 工具，可以生成飞机和流动模型。通过对每个单元的控制方程进行精细离散化和数值分析，可以获得可以研究涡流脱落模式的流场。CFD 工具可以利用有限元法 (FEM) 或有限体积法 (FVM)等方法来求解气流的纳维-斯托克斯方程。
仿真模型中阻流体周围的流动行为、压力分布和涡流脱落模式的可视化可以作为参考来决定飞机的改装需求。借助 Fidelity和Fidelity Pointwise等工具，您可以运行准确的基于 CFD 的涡旋脱落模拟，从而做出准确的预测和优化决策。
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