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——第308次香山科学会议聚焦航空航天工程应用中的湍流与CFD研究

湍流是空气动力学中跨世纪的难题，经百年研究尚未解决，是制约计算流体力学（CFD）发展和新型飞行器研究的瓶颈问题。以“航空航天工程应用中的湍流与CFD研究——现状、问题与发展对策”为主题的第308次香山科学会议日前在京举行。与会专家共同分析探讨我国湍流研究和CFD技术应用现状，并就如何促进该领域的快速发展建言献策。

无法绕开的瓶颈问题

“湍流是流体力学中公认的难题。自从19世纪末O.Reynolds提出湍流的统计理论以来，已有一个多世纪了。”会议执行主席、中国科学院院士、中国航天科技集团公司研究员庄逢甘说。

庄逢甘指出，湍流研究在我国航空航天事业发展中起着十分重要的作用。航空航天飞行器的发展涉及我国的空天安全，作为最重要的空天武器平台，航空航天飞行器的特点是高速度、高机动、高隐身和长航程。针对这些特点，要发展适用于高速飞行的空气动力学新概念和新的设计思想，就需要深入开展可压缩湍流等方面的研究，为飞行器及其动力系统的优化设计提供指导。

中国航空工业第一集团公司第六三一研究所研究员白文在《国外CFD在飞机研发中的应用和发展情况》报告中介绍，数值模拟技术近年已成为飞机设计的一项关键技术，CFD已成为飞行器设计和宇航系统评估的例行工具，CFD和实验研究相配合，在飞行器设计中发挥着越来越重要的作用。但是，我国航空航天行业可用的大型计算机资源、自研CFD核心计算软件水平、CFD应用水平和应用能力，与先进国家相比有较大差距。

与会专家介绍，有效地使用CFD方法已成为军机、民机成功设计的一个关键要素。它使风洞试验模型的数量大幅度减少，提高了设计质量，降低了研制成本，缩短了研制周期，增强了竞争优势。但是面对CFD的发展和在航空航天技术中的广泛应用，湍流已成为制约CFD发展和新型飞行器研制的一个无法绕开的瓶颈问题。特别是新型飞行器设计中涉及到的可压缩湍流，更是过去研究较少但却是更复杂的问题。动力问题是空天作战武器平台的关键问题之一，许多技术难题都和湍流密切相关。如果对高速气流中湍流规律知之甚少，就无法准确地预测流场，也就无法优化航空航天飞行器的气动布局和气动外形。

湍流研究尚不能满足需求

庄逢甘表示，经过几十年的发展，虽然湍流模型理论和应用取得了很大成绩，但仍不能满足湍流工程计算的需求，存在一些重大课题有待解决。湍流是多尺度有结构的不规则流体运动，这是湍流运动的主要特征，同时也是湍流研究的困难所在。湍流实验是认识湍流的重要手段，但现在还没有一个公认的具有较好普适性的湍流模型，有的模型计算某类流动时性能很好，但是计算另一类流动，其结果却不能接受。

近年来，航空航天技术迅速发展，不断提出各种新型飞行器的概念，CFD已经成为飞行器设计的三大手段之一，广泛应用于各种飞行器的设计中。如果能够将飞行器的气动性能、载荷、稳定性、操纵性等都计算准确，则可以减少很多实验工作。但要达到这一步，还有很多关键问题需要研究解决。

我国在湍流模型的理论和应用方面的研究工作取得了一些成绩，但是，不能令人满意。国内一些大学和研究所虽已发展了一些性能先进的湍流模型，但其工作与产业部门的沟通不够。应用方面，当前，在我国航空航天的主要研制部门，CFD已用于型号设计的各个阶段，成为空气动力设计的主要手段之一。使用的软件既有引进的商用软件，也有我国空气动力学研究单位自主研制的程序，现在的问题是这些部门从事计算的人员往往对湍流模型了解不多，特别是对湍流模型研究的新进展不够了解；应用湍流模型开展数值计算的经验不多，在选取湍流模型时有一定的随意性。

促进湍流研究向工程实用化转化

与会专家认为，发展和应用湍流模型的正确策略应该是发展多层次湍流模型，根据工程实际问题的湍流物理特征、计算精度、计算时间、投入费用的要求等，来选取合适的湍流模型。同时，要选择航空航天工程中具有典型性的多种湍流对湍流模型进行标定、评估和优化。评估的流动越多，优化后的模型越具有普适性。

会议执行主席、两院院士顾诵芬建议，对CFD软件进行系统评估，确定应进一步开发的方向；服务大飞机工程，采用真实飞机数据开展CFD确认研究；发展一套完善的航空CFD共用体系；集成优势软件资源，建立“航空CFD共用软件体系”；建立“航空数值模拟技术研究中心”，面向工业应用，发展高精度、多学科数值模拟的方法和过程，促使新的减阻技术、流动控制技术和全新的外形在未来飞机设计和发展中获得应用。

庄逢甘强调，加强我国的湍流研究以及CFD在航空航天工程中的应用十分重要的一点，是应该大力倡导联合攻关，优势互补。提倡产研学之间紧密的合作，即航空航天飞行器的生产部门、设计研制部门、航空航天系统各相关专业研究所及大学研究力量的密切合作。根据湍流模型自身的特点和工程应用的需求，建议考虑对我国自主研制的有参考价值的某型飞机为研究对象，将飞行试验、地面试验、数值计算和湍流模型的相关研究人员结合在一起，首先系统地收集转捩和湍流的试验资料，选择几个湍流模型开展计算评估和优化工作。通过这样的技术攻关发展出普适性较好、不依赖于计算工况的湍流模型，促进湍流的研究工作向航空航天工程实用化转化，促进实验、理论、数值计算各方面研究人员的结合，推动我国在航空航天技术领域的自主创新。