机翼油箱晃动CFD仿真：VirtualFlow如何应对复杂几何和多相流挑战？

在航空航天领域，机翼油箱的设计与优化一直是飞行器制造中的关键环节。机翼油箱不仅需要满足燃油储存和供应的基本功能，还需在复杂的飞行工况下保持结构的稳定性和安全性。随着计算流体动力学CFD技术的不断发展，积鼎VirtualFlow软件为机翼油箱晃动的模拟与分析提供了强大的工具，助力飞行器设计的优化。

项目背景与意义

在现代飞行器设计中，机翼油箱的设计面临着诸多挑战。机翼油箱通常具有复杂的几何结构，以适应飞行器的整体布局和气动要求。然而，这种复杂结构使得燃油在油箱内的分布和流动更加难以预测。在飞行过程中，由于飞机姿态的变化、飞行速度的改变以及外界环境的影响，油箱内的燃油会产生晃动。燃油晃动不仅会影响燃油的供应稳定性，还可能对机翼结构产生额外的载荷，进而影响飞行器的操控性和安全性。

传统的机翼油箱设计方法主要依赖于经验积累和反复试验。这种方法不仅耗时费力，而且难以全面捕捉燃油晃动的复杂动态行为。随着飞行器性能要求的不断提高，传统的设计方法已难以满足现代机翼油箱设计的需求。因此，引入先进的CFD仿真技术，对机翼油箱内的燃油晃动进行精确模拟和分析，成为提升设计效率和质量的关键手段。

积鼎CFD软件在这一领域展现出了独特的优势，为解决机翼油箱晃动问题提供了高效、精准的解决方案。

CFD 仿真项目难点

（一）多相流问题的复杂性

机翼油箱内存在燃油和空气两种介质，属于典型的多相流问题。燃油与空气之间存在复杂的自由液面，在飞机飞行过程中，随着飞行姿态的改变以及飞行工况的变化，燃油会出现大幅晃荡。准确捕捉和模拟这种自由液面的动态变化以及多相流之间的相互作用，对 CFD 仿真算法和模型提出了极高的要求。传统的多相流模型在处理此类复杂问题时，往往存在精度不足、计算稳定性差等问题，难以准确描述燃油晃动过程中的各种物理现象。

（二）复杂几何结构带来的网格划分难题

机翼油箱内部结构复杂，通常包含防晃板、肋板、燃油管路等结构。这些结构给网格划分带来了极大的挑战。为了准确模拟油箱内的流场，需要在这些复杂结构进行精细的网格划分，往往消耗大量前处理时间，降低了整个仿真流程建设效率。

积鼎VirtualFlow软件优势

（一）先进的界面追踪技术

VirtualFlow软件采用了Level Set模型，这是一种先进的界面追踪方法。与传统的VOF模型相比，Level Set方法通过距离函数直接追踪界面，界面定义更加明确，能够更好地处理界面的剧烈拓扑变化。VirtualFlow还针对Level Set方法的质量守恒性问题进行了优化，采用Local+Global补偿修正，有效解决了相体积不守恒的数值问题。这使得VirtualFlow在模拟燃油晃动时，能够精确捕捉燃油与空气界面的变化，准确预测燃油的动态行为。

（二）高效的网格生成技术

VirtualFlow具备特有的浸没边界（IST）网格技术。这种技术能够自动识别复杂几何结构，极大地简化了前处理网格剖分的工作量。设计人员无需花费大量时间手动调整网格，从而提高了设计效率，加快了设计迭代的速度。IST技术适用于复杂几何结构的网格生成为机翼油箱晃动的全面分析提供了有力支持。

（三）精确的实验验证

VirtualFlow软件的计算结果经过了严格的实验验证。通过与马德里理工大学的晃动实验室的实验数据对比，VirtualFlow能够较好地还原油面形状，计算精度高。这种高精度的计算结果为机翼油箱的设计提供了可靠的依据，使得设计人员能够在虚拟环境中对设计方案进行优化和验证，减少了实物试验的次数，降低了设计成本。

 

应用案例：某型飞机机翼油箱晃动分析

积鼎科技利用VirtualFlow软件对某飞机机翼油箱的燃油晃动进行了详细的分析。在该案例中，VirtualFlow软件通过刚体运动功能，模拟了飞机在不同飞行姿态下油箱内燃油的晃动情况。通过精确的界面追踪技术，软件能够清晰地显示燃油与空气的界面变化，以及燃油在油箱内的流动轨迹。此外，通过压力积分，VirtualFlow还能够准确计算燃油晃动对油箱壁面的冲击力，为油箱结构的强度设计提供了重要参考。