大型运输飞机是指起飞总重量超过100t的各类用途的大型军民用航空运 载类飞机，在快速反应、快速机动、大量消耗物资的现代战争中，大型军用运输机已成为战争胜负的重要因素之一，其数量和运载效能是衡量一个国家快速反应能 力、科技水平及工业水平等综合国力的重要标志。随着民用航空快速发展和国防现代化步伐加快，我国对大型飞机的需求日益紧迫。自主研制大型飞机，发展有市场 竞争力的航空产业，对带动科学技术发展、增强国家综合实力和国际竞争力具有十分重大的意义。
现代飞机气动设计主要有计算流体力学分析（CFD）、风洞试验、飞行试验以及经验数据库4种方式，这4种方式各有特点。虽然在不同历史时期，不同 的国家和不同的航空公司对这几种设计手段的重视程度各不相同，但是明显的趋势是CFD以其可以大大节省研制经费、缩短研制周期、提高研制质量的特点，在大 飞机的研制过程中发挥越来越重要的作用。CFD在大飞机研制过程中面临着诸多要求，如何实现从仿真到逼真、让瞬态成常态、由精确变准确是航空领域工程师3 个首要考虑因素。
从仿真到逼真
CFD技术在大飞机仿真设计工程中达到逼真的要求主要有两个难点需要突破，即复杂的飞机外形和流动物理模型。大飞机为了获得良好的飞行性能，如巡 航阶段的增升减阻和良好的起降能力，在机翼上设计了高升力系统，如前缘缝翼、后缘襟翼。同时部件之间存在较为严重的相互干扰，如翼身组合、翼发动机组。此外，出于其他要求，机身机翼上存在许多的凸起物。精确描述和生成这些复杂外形是CFD技术能高精确描述大飞机工程设计的重要前提。
NUMECA针对大飞机复杂几何模型推出的集模型的清理、修复及网格的划分于一体的全自动混合网格生成器HEXPRESS/Hybird，先进的 并行技术使网格生成速度得到了大幅度的提高，如图1所示，为某客机网格划分图，生成此1600万网格以前需要花费1周时间。采用NUMECA的网格划分工 具仅需在4核机器运行2h即可完成，大大减少了网格划分时间。
图1 某客机网格划分图
网格划分速度是CFD软件的考量指标之一，而对复杂模型具有高度的容错能力是评价前处理软件的另一重要因素。 HEXPRESS/Hybird是专门针对异常复杂模型开发的快速、高效的混合网格生成器。它为航空航天领域结构异常复杂，且仍需分析细小部件影响的几何 模型的CFD模拟提供了高速、高精度的最佳网格处理解决方案，对原始几何模型达到了“逼真”的要求。采用多重网格，特别是新颖的控制体聚合 （ControlVolume Agglomeration）多重网格处理方法、残差光顺和当地时间步长加速收敛技术，使计算具有很高的收敛速度和计算精度。计算中还可以按照密度、速度 或压力梯度准则，进行网格的自适应计算，在流场参数梯度大的区域自动加密网格，流场参数梯度小的区域自动粗化网格，从而实现对流场变化的精确捕捉。
图2为机翼及发动机细节图。HEXPRESS/Hybird软件通过八叉树的网格划分方法在流场域生成包含六面体（主要）和四面体的混合网格，并自动在边界层附近生成1层或多层贴体的、高质量和正投影的边界层网格，为大飞机的求解提供了快速、高自动化、高质量、精确的网格划分，使得CFD的求解精度与实验结果的吻合程度大大提高。图3为客机前缘网格划分图。
图2 机翼及发动机细节图
物理模型是保证所需求解问题高度逼真的又一重要因素。在大飞机设计过程中，不同的设计阶段对气动性能预测准确度和计算速度的要求不同，相应可以采取不同的流动模型以描述和求解物理问题。
图3 客机前缘网格划分图
FINE/Open是基于全六面体非结构网格的流场求解器，可广泛用于各种低速、亚音速、跨音速和高超音速流动 的模拟。它通过求解基于密度的全可压缩形式三维雷诺平均N-S方程来模拟流场，求解器中提供多种湍流模型。如图4为采用FINE/Open软件对某民航大 型客机的气动特性分析。
图4 某民航大型客机的气动特性分析
在大飞机设计过程中，往往因为特殊需求而需要特殊的物理模型、物理特性或自定义计算结果的输出，这些 特殊需求普通软件一般无法满足，即使可以通过自定义添加，也需要使用者具有很高的编程水平，花费很长的时间。为了节约时间、降低对研发者的要 求，NUMECA特别为用户提供了用户自定义技术Openlabs，仅需通过软件界面定义模型方程表达式，软件的动态链接库就会在求解时自动创建和加载， 无需用户考虑编程语言和代码结构，且与程序源代码相比，用户自定义模型的计算速度和内存占用完全相同。Openlabs的引入为大飞机研发者的高度逼真计 算提供了简便而专业的保证。
