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人类的每一次飞机旅行,背后都有Antony Jameson教授

·2020-10-12 15:24·电子发烧友
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当您下次乘坐飞机时,可以花点时间思考并赞叹一下飞机的空气动力学设计;因为人类的每一次飞机旅行,背后都有Antony Jameson教授CFD方法的影子。

Jameson于1958年毕业于剑桥大学,在那里他获得了磁流体动力学的博士学位,之后又在剑桥大学担任了一段时间研究员。1964年,Jameson离开剑桥后的第一份工作,是为英国工联会的提供经济决策。

Jameson于1970年开始研究空气动力学中的计算方法,当时他36岁。在此之前,他的研究方向是关于稳定性增强系统。此前,他还曾在考文垂的某公司担任首席数学家。

显然,Jameson在进行CFD研究之前,有着广泛的工程经验。正是在那时,他写出了他的第一份CFD代码——FLO 1和SYN 1。

这些程序解决的是理想流体(无粘无旋)在二维翼面上的流场问题,FLO 1计算给定翼面的压力分布,SYN 1计算其逆问题,即给定目标压力分布求解翼面形状。

由于当时 计算机 内存极为有限,Jameson确保了他的代码空间开销很小。这些代码的运行速度极快,只需要5到10分钟即可求解完成。

即使在21世纪,5-10分钟就获得结果,依然是很多CFD开发人员的需求。

高效,就是Jameson的代码特点。

很快他的主要关注点转到了翼面上跨音速流的计算上,1972年Jameson跳槽到了纽约大学的Courant数学研究所,进一步研究这一课题。

在跨音速流中,流场里的大部分地方马赫数都略低于1,即空气流动大部分是亚音速的。然而,某些地方会变成超音速流动。

对于商用飞机来说,这是一个至关重要的流态,因为需要保持很高的巡航速度才能保证足够的航程,但当局部超音速流出现在机翼上时,可能会导致强烈的激波,使空气阻力大幅增加。

大型商用飞机通常以0.8左右的马赫数飞行在跨音速状态下,因此其机翼外形的设计应考虑尽量减少激波,最好是完全将之消除。

在Courant研究所,Jameson与Caughey合作编写了一套CFD代码,用于预测掠翼上的理想跨音速流,即FLO 22。

FLO 22非常稳健,收敛性也有保证。该代码立即被麦道和其他公司采用。FLO 22是一份了不起的代码,它自编写以来一直在连续工作,至今仍在设计一线发光发热。

后来,FLO 22中的方法在FLO 27和FLO 28中得到了扩展,适用于任意的网格系统,这样就可以很容易地计算复杂几何。波音公司在1978年对扩展代码进行了评估,随后将其纳入了他们自己的 "A488 "软件——这是波音757、767和777飞机机翼分析中使用的主要计算工具。

1980年,Jameson加入普林斯顿大学,从1982年出任杰出教授。1997年,他调到斯坦福大学航空航天系任职,继续进行教学和研究。

20世纪80年代计算机硬件的发展,意味着机翼上气流的欧拉方程或许能被求解出来了。这消除了理想流体的无旋限制。预示着空气动力学设计向前迈出了一大步。

特别是对于跨音速流动,因为激波强度,特别是其冲击位置均可能与理想流体模型有偏差。Jameson、Dornier等人一起写了一套突破性的3-D代码,即FLO 57,它可以对复杂的空气动力学外形进行精确的冲击预测。Hirsch教授曾经这样评价:

“Jameson和他同事提出的方法是一个高精度的、结合多重网格的、非常高效、准确的CFD代码。”

Jameson在20世纪80年代还推动了许多其他的数值方法和算法的发展,Jameson首次使用非结构化网格,首次实现了对整个飞机的流动计算。

这一突破是通过1985年Jameson、Baker和Weatherill共同开发的名为" Ai rplane"的新代码实现的,这份代码被麦道、 NAS A、三菱和EADS用作其空气动力学代码的基石。

在开发处理非结构化网格的软件时,Jameson也继续致力于提高求解算法的速度,以及离散方法的精度和稳健性。本质上讲,他的工作涉及所有能进一步推动CFD作为空气动力学设计工具的重要领域。

当他将这些方法优化得日渐成熟时,他将研究方向转向寻找能够满足性能目标的空气动力学设计的最优外形,最优外形有一系列约束条件的限制,如翼厚——它决定了结构重量。他在这个领域的工作靠的就是控制论和CFD的结合。

这催生了一套新的"SYN"系列代码,比如用于优化机翼设计的SYN 87和求解欧拉方程的SYN 88;

1997年诞生的SYN 107,用于求解粘性流体的完整Navier-Stokes方程。

2003年,他编写了Synplane,可以对整架飞机进行空气动力学最优设计。以SYN 107为例,现已用于设计湾流G650公务机,该机最高飞行速度可达0.9马赫

波音767、757、747-400、777、737-700和787的设计过程中,都采用了Jameson教授基于CFD方法的空气动力学代码。

2006年,Jameson教授获得Sperry勋章,获奖理由是:

“本年度的Sperry勋章将授予Antony Jameson,以表彰他通过大量的算法创新,以及通过开发FLO、SYN和AIRPLANE系列CFD代码,对现代飞行器设计做出的开创性贡献。”

在颁奖大会上,专家们列举了Jameson提出的一系列重要算法:

关于Jameson教授和其工作的更多信息可以在他在斯坦福大学的主页上找到:http://aerocomlab.stanford.edu/jameson/, 这里有超过400份他的相关文章可供浏览。

在您下次坐飞机的时候,或许应该感谢Jameson的CFD代码,让人类实现了飞行梦。

让我们一起致敬Antony Jameson。

责任编辑:xj

原文标题:坐飞机,都应致敬这位CFD大师:Jameson

文章出处:【微信公众号:中科院长春光机所】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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