PowerFLOW超越飞行包线中心：国防工业流体仿真

从超声速空腔声学分析到无人机多物理场优化，本文阐述 PowerFLOW 如何解决军用飞机特有的仿真难题，以及国防工业的极端需求为何使其与格子玻尔兹曼方法（LBM）高度适配。

军用飞机所处的空气动力学世界与其商用 counterparts 截然不同。战斗机必须在极端攻角下可靠运行，携带不对称外挂物，且内置武器舱舱门在飞行中开合。每种工况都带来了传统基于 RANS 的 CFD 难以处理的仿真挑战——而基于 LBM 的 PowerFLOW 则特别适合应对这些挑战。

更宽、更严苛的飞行包线

国防飞机的扩展飞行包线涵盖从低亚音速到马赫数 2 及以上的范围，攻角远超商用飞机的运营范围。在高攻角下，前缘涡破裂以 RANS 无法可靠预测的方式主导稳定性。跨音速和超音速条件下的进气道空气动力学涉及斜激波系以及强非定常且对小几何细节敏感的激波-边界层相互作用。PowerFLOW 固有的时间精确求解器——覆盖从低亚音速马赫数到约 2.0 的范围——能够处理这些决定结构疲劳和飞控动力学的复杂条件 [1]。

外挂物、外挂载荷与武器舱空腔声学

作战飞机通常携带挂架，挂载油箱、瞄准吊舱和武器，以每次任务都会变化的不对称组合飞行。这些外挂物的空气动力学影响——湍流尾迹、激波撞击以及对相邻表面的抖振载荷——不仅必须在巡航状态下理解，还需贯穿完整的挂载与投放包线，包括载荷分离时的瞬态载荷。PowerFLOW 的自动笛卡尔网格划分消除了为每种新的外挂配置手动重建计算网格的需求——在传统 CFD 工作流程中，这项任务需要数周的手动工作——从而使评估项目必须认证的完整配置范围变得切实可行。

武器舱空腔非定常压力脉动的仿真。

武器舱空腔是另一个棘手的空气动力学挑战：它们在飞行中打开时成为声学共鸣腔，产生强烈的压力脉动。PowerFLOW 直接解析这些脉动的完整频谱内容，包括基频峰值和宽频背景噪声，无需 RANS 方法所需的声学类比 [2]。

将振动声学纳入仿真工具集

分析和改善军用飞机的非定常流动特性只是基于 LBM 的 CFD 工具如 PowerFLOW 的益处之一。理解空气动力学脉动对电子元器件振动和结构疲劳的影响可能同等甚至更为重要。PowerFLOW 通过与 SIMULIA 工具库中的另一款工具——用于振动声学分析的 Wave6——耦合来实现这一目标。武器载荷、空腔、雷达罩等处的压力脉动被传递至 Wave6，以评估敏感元器件在整个飞行包线内必须承受的振动载荷。用我们一位客户的话来说："减少试飞架次并在项目早期开发精确的环境条件，有助于（……）加速适航认证流程和平台集成" [3]。

旋翼飞行器与旋翼无人机空气动力学

军用直升机和旋翼无人机呈现了国防工程中最复杂的非定常空气动力学问题之一。桨涡干扰（BVI）和尾桨抖振产生冲击噪声和振动载荷，既影响声学可探测性，也驱动机体疲劳。

旋翼飞行器空气动力学高度复杂且本质上是瞬态的。

在多旋翼无人机构型中，每次桨叶通过都会发生等效的桨间尾迹干扰。这些现象本质上是瞬态且空间复杂的，需要在多个旋翼旋转周期内对涡结构进行时间精确解析，而这正是 PowerFLOW 所能提供的。

无人机与快速多物理场概念优化

小型战术无人机——在低空和低速运行的 1 至 3 组无人系统——呈现的设计挑战与其说是极端空气动力学，不如说是概念阶段早期必须做出的权衡决策的速度和紧迫性。这些平台通常在压缩的时间周期和有限预算下开发，却必须同时满足对空气动力学续航力、声学特征（对隐蔽作战至关重要）、结构重量、机载电子设备热管理，以及日益增长的雷达散射截面（RCS）以确保在对抗空域生存能力等方面的严苛要求。这些学科之间彼此相互作用：最小化雷达散射截面的机体外形可能增加阻力并降低航程；轻质复合材料结构可能以不期望的方向反射雷达能量；为效率优化的推进系统可能产生可被红外传感器探测到的热羽流。

集成于 3DEXPERIENCE 平台内的多物理场仿真特别适合这种压缩的多学科概念环境。借助 SIMULIA 的 MODSIM 解决方案——提供将几何建模与仿真紧密集成的自动化流程——新的无人机机体变体可以在数小时而非数天内完成设置并运行——实现对螺旋桨直径、机体长细比、进气口位置和操纵面几何等参数的真正参数化扫掠。CFD 解决方案与用于重量估算的结构分析以及用于 RCS 评估的计算电磁学耦合，形成了一种概念阶段工具链，在提交任何物理样机之前，数十个设计候选方案即可对照完整任务需求集进行评分 [4]。对于在采购压力下运行的小型战术无人机项目，这种前端设计周期的压缩——以及它为所选概念提供的信心——可能是决定性的。

如需了解这些进展的实际应用，请参加 Swen Noelting 的在线研讨会"利用高级 CFD 仿真优化国防航空的性能、稳定性与鲁棒性"，时间为 2026 年 6 月 2 日。本次会议将探讨基于格子-玻尔兹曼的 CFD 如何支持国防飞机、无人机、导弹和运载火箭的高速非定常流动与振动分析。在此注册： https://events.3ds.com/advanced-cfd-defense-aviation-optimization

[1] Noelting, S., Fares, E. 等. PowerFLOW 跨音速和超音速流动范围的验证. AIAA Paper 2016-0585.

[2] Duda, B., Fares, E. & Noelting, S. 格子-玻尔兹曼方法在超音速空腔流动中的应用. AIAA Paper 2016-0046.

[3] Simpson, G. 等, 通过振动声学分析减少试飞架次, 发表于 AIAA SciTech, 2026 年 1 月.

[4] Dassault Systèmes (2022). SIMULIA for Defense: 跨平台生命周期的多物理场仿真. 白皮书. Vélizy-Villacoublay: Dassault Systèmes.