大型運輸飛機是指起飛總重量超過100t的各類用途的大型軍民用航空運載類飛機，其研制能力是衡量一個國家科技水平、工業水平等綜合國力的重要標志。目前，世界上只有美國、歐盟和俄羅斯具有大型民用客機的研制生產實力，而真正具有國際市場競爭能力的只有美國和歐盟。與此同時，在快速反應、快速機動、大量消耗物資的現代戰爭中，大型軍用運輸機已成為戰爭勝負的重要因素之一，其數量和運載效能也是衡量一個國家快速反應能力的重要標志。進入21世紀，我國要實現建設航空強國的目標，迫切需要打開大型運輸飛機發展的突破口，以滿足國家安全和國民經濟建設的雙重急需，并帶動我國科技水平、工業水平的大幅度提高。大型運輸機氣動力分析技術是在先進理論方法和成功工程實踐的基礎上形成和發展起來的，屬航空發達國家對我們封鎖的關鍵技術。直到20世紀70年代，在飛機氣動力設計工作中，在采用的設計手段上，風洞試驗是主要的，甚至可以說是唯一能獲得可靠的氣動數據的手段，計算通常只是簡單意義上的工程估算。但是，隨著計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)和大容量計算機的發展，試驗和計算在設計工作中的相對地位在不斷改變。形成這種改變的主要依據是：由于過去傳統的設計方法往往需要給出上百種設計方案進行對比選型試驗，風洞試驗工作量非常驚人，需要很長的設計周期，耗資亦十分浩大。據國外資料統計，現代飛行器氣動力設計所需的風洞試驗需求較過去成量級的增長，如果不大規模開發和采用CFD技術，單單完成這些風洞試驗就需耗費5～10年的時間。另外，風洞試驗受到試驗設備及試驗技術的限制，并不能準確模擬某些飛行狀態下的流動情況。到目前為止，風洞設備模擬能力的種種限制并沒有本質的改觀。而另一方面，從20世紀70年代末開始，由于CFD計算方法的不斷突破和計算機技術的快速發展，CFD進入了蓬勃發展的新時期。其主要標志之一是CFD開始越來越多地被應用到以航空航天飛行器的研究和設計為代表的流體力學、空氣動力學實際工程中。

　　CFD 與航空

　　經過近30年的迅速發展，今天的CFD已經成為飛機、導彈、飛船等航空航天飛行器研制中一種主要的氣動分析和設計工具。CFD以其快速、經濟、高效、適用面廣、約束少、數據詳盡等特有的優勢改變了傳統的氣動設計方法，成為航空航天飛行器研制中無可替代的有力工具。美國Northrop公司在研制YF-17與YF-23的過程中風洞試驗與數值計算工作量的變化:1966～1974年YF-17研制期間，共進行了近13500h的風洞試驗，當時還沒有可用的CFD技術;而1982～1990年對性能要求更高、外形更復雜的YF-23研制期間，CFD計算用了近15000h，風洞試驗只用了近5500h，減少了約60%的試驗工作量，總的成本大大降低，縮短了相對研制周期，而且由于CFD可以方便地修改飛機外形和流動條件，擴大了優化設計的范圍，因而可以獲得優異的設計性能。2004年，波音公司的E.N.Tinoco說：“在現代商業飛機的成功設計中，CFD的有效應用是一個關鍵因素。CFD在商業飛機設計中的應用革命化地改變了氣動設計方法……在飛機發展中，CFD的應用越來越多，這并不是因為它本身技術上的推動，而是因為市場競爭的結果。現在，CFD是氣動設計過程的主要部分，另外還包括風洞和飛行試驗。在顯著縮短飛機研發周期方面，CFD是主要保證因素。如果我們希望保持競爭力，就別無選擇。”1998年，Lockheed Martin公司的P.Raj在一篇題為《21世紀的飛機設計》的論文中指出：人們之所以聚焦CFD，首要的原因是在飛機設計的每一個階段，CFD都扮演著中心的角色。在世界CFD的發展史上，美國國家宇航局(NASA)一直是最大的推動者，當然也是最大的受益者。NASA對于CFD的發展及其應用一直給予高度的重視：“以NASA的觀點，CFD是流動模擬和預估的一個令人興奮的新工具，一個本質上沒有任何別的地面模擬技術固有限制的工具”。NASA總部計劃通過CFD技術將發動機和飛行器的設計時間和費用減少一半。CFD技術的廣泛應用已經使現代飛行器的設計方式發生了根本的改變：在方案設計和初步設計階段，數值計算已成為主要的設計手段，風洞試驗僅僅對最終選定的設計方案進行有限的校核。在飛機詳細設計階段，CFD技術又可作為精確校核計算和進行風洞試驗數據修正、風洞及飛行相關性研究的重要手段，指導和補充風洞試驗。在許多情況下，數值計算甚至可以直接提供設計數據。CFD技術的使用，大大減輕了風洞的負擔，使風洞試驗用于解決更為重要方面的問題及進行必要的驗證，大大縮短了設計周期，節約了經濟成本，確保了飛機的高性能設計指標，對飛行器氣動力設計方式帶來了深刻的變化，產生了巨大的社會經濟效益。目前，CFD技術與風洞試驗相輔相成，已成為現代飛機氣動力設計的兩大重要技術手段，CFD技術在飛機設計中的應用水平已經成為評價飛機設計先進水平的主要標志。在現今的美國航空航天領域，CFD約占氣動設計工作量的70%，而風洞試驗的工作量只占30%。無論從節省研制費用、縮短設計時間出發，還是從提高設計水平出發，在本世紀，由于計算機和CFD技術的進一步發展，CFD將給氣動設計帶來更大的革命。未來飛行器性能的確定，將依賴于在“虛擬風洞(采用CFD技術)”數據基礎上產生的“虛擬飛行”，這將是飛行器研制的主要發展方向。

　　CFD 在大型民機研制中的應用

　　航空領域是CFD應用的傳統領域也是應用最為成功的領域之一。今天，CFD已經成為大型民機研制中流動問題研究、氣動設計的主要手段之一。發動機在飛機上的合理吊掛對于飛機的結構、動力、氣動等都有很大影響，發動機及其噴流和機身、機翼之間有著很強的流動相互作用，會誘發附加的流動阻力包括干擾引起的誘導阻力和機翼下表面超聲速區引起的波阻等。在波音公司，20世紀90年代前主要依靠風洞試驗研究發動機的吊掛，但模擬發動機噴流的試驗難度大、費用高、周期長，也無法給出流動相互作用的機理性和規律性的解釋。所以傳統的做法是將發動機盡可能遠離機翼和機身，這樣做又導致了結構的復雜和重量的增加。這種吊掛設計一般要進行幾十次的風洞試驗，每次試驗耗資約15萬美元。90年代以后，利用CFD，可以很清晰地刻畫出帶噴流的發動機和機身、機翼之間的流動干擾機理和規律，從而優化出最佳的發動機吊掛方案，逐漸實現了近距布置。現在，CFD方法逐漸取代了吊掛風洞試驗，PW4098、GE90-115B 等吊掛設計已經不再進行風洞試驗，而完全由CFD完成。這顯著地縮短了設計周期，節省了研制費用，提高了設計質量。在波音商業飛機部，為了支持各種產品，每年要運行超過2萬次CFD作業。其中85%的作業是由CFD研究小組以外的生產工程師完成的。CFD方法能以數小時或數天，而不是以前的數周或數月的時間提供及時的結果。CFD變革了機翼的設計方法，傳統的依賴經驗和大量風洞試驗的“試錯法”(Cut-and-Try)已經被依賴CFD模擬的“反設計方法”和“多點優化方法”所取代。這些新方法更快捷、更經濟，更重要的是這些新方法設計出的機翼性能比傳統設計有了顯著的改進。傳統的“試錯法”需要設計幾十個機翼進行大量風洞試驗，而新的CFD設計方法，只需要設計出2～3個性能最好的機翼，再放到風洞里進行試驗驗證和最終選型。同樣，空客系列飛機在設計過程中從一開始就使用了全機N-S方程流場計算程序。又如波音公司在發展B777的詳細設計階段通過全機復雜構型氣動計算發現，發動機噴流使增升裝置的效率大為降低，經調整發動機安裝方案，成功地解決了這一問題。波音公司在研制B777和新一代B737飛機時廣泛使用了CFD技術。歸納起來說，CFD的應用包括：機翼設計、機身-發動機吊掛設計、副翼和襟翼的設計、垂尾和后體的設計、機頭與駕駛室設計、機翼-機身的連接等。歐盟、空客公司等同樣對CF D寄予重托。使用CFD產生設計用的數據，而風洞試驗主要用于性能檢驗，并更多地專注于生成數據庫用以進行方法驗證確認。已計劃通過廣泛使用CFD，到2015年使常規風洞試驗減少一半。

　　國內CFD研究與應用情況

　　我國運輸類飛機的發展過程實際上是一段測繪、仿制、改進的歷史。例如改進原蘇聯 20 世紀五六十年代的運輸機，組裝生產美國七八十年代的麥道干線飛機等。迄今為止，我國還沒有一個飛機研究所設計過任何大型飛機。在大型飛機設計上，我們不具備研制經驗和手段。特別對一些關鍵的設計技術，由于預先的基礎研究做得不夠，因此自力更生地發展大型運輸機，不僅要依賴于現有飛機研制基地的潛力還要依靠國內各行業的綜合能力，對相關重大基礎問題進行重點攻關，才能確保我國大型運輸機研制成功。“七五”以來，我國的CFD技術得到了較大的發展，先后研究和發展了翼型設計分析、機翼設計分析、翼身組合體分析、全機CFD計算軟件研究等方面的計算分析軟件。經過多年的不懈努力，在克服了大量的技術難點后，開發了一系列可用于大型運輸機氣動研究和設計、機翼設計計算的CFD軟件。這些軟件系統，總體上達到國際90年代中期的先進水平，且擁有我國自主知識產權，可以在我國的大型軍民用運輸機部件氣動力設計中發揮重要作用。近幾年，國內也引進了部分國外CFD商業軟件，進行航空航天飛行器流場計算，并在型號研制中取得了一定的效益。但是，這些引進的商業程序普遍存在著精度低、計算效率低、可靠性差、無源代碼等缺點。事實上，西方國家向我們推銷的CFD軟件往往是他們的低端產品。而真正在飛機設計中發揮核心作用的那些“IN HOUSE”程序，國外各大飛機公司都嚴格保密，我們是買不到的。為了發展我國的民族飛機工業，不受制于人，必須腳踏實地地研究自己的CFD計算方法和程序。這里給出一個我們課題組使用自己的CFD軟件的計算實例：M6機翼CFD計算。M6機翼是一個著名的經典實驗模型，在國際上被廣泛用作CFD考核計算模型。我們采用不同CFD格式計算了不同的流動條件。從試驗結果可以看出，我們的計算結果精度可靠，其精度同國際上已經發表的相關計算結果一致，而計算效率遠遠高于商業CFD軟件。這說明，我們的CFD軟件同西方CFD軟件相比，在計算精度等方面并無大的差距，并且在計算效率和可靠性等方面具有優勢。

　　結束語

　　CFD給飛行器氣動設計方式帶來了深刻的革命性變化，CFD技術與風洞試驗相輔相成，已成為現代飛機氣動力設計的兩大重要技術手段，CFD的重要性和實用性應當得到重視。CFD在飛機研制中的作用越來越大、越來越成功，歐美的發展歷程啟示我們應該重視CFD的研究和應用。在大型民機的研制中，在節省研制經費、縮短研制周期、提高研制質量等方面，CFD都具備它獨有的優勢可以發揮十分重要的作用。我國在CFD計算精度、可靠性等方面，基本上已經達到歐、美國家的先進水平，在我國大型民機研制中，應該相信我們自己的CFD能力著力開發，為大飛機的研制作出應有的貢獻。