流固耦合技术在航天领域应用现状与展望：从传统仿真到SPH方法

流固耦合技术在航天领域应用现状与展望：从传统仿真到SPH方法

流固耦合技术在航天飞行器设计中的应用与展望

流固耦合技术是研究流体（如空气、水）与固体（如飞行器结构）之间相互作用的关键技术，在航天飞行器设计中发挥着至关重要的作用。随着航空航天技术的不断发展，流固耦合技术已成为提高飞行器性能、确保飞行安全的重要手段。

流固耦合（Fluid-Structure Interaction，FSI）是指流体与固体之间的相互作用。在航天飞行器设计中，这种相互作用主要体现在以下几个方面：

1. 气动弹性问题：飞行器在高速飞行时，气流对结构的作用力可能导致结构变形，进而影响气流分布，形成复杂的流固耦合效应。

2. 振动与噪声：发动机工作时产生的振动和噪声，会通过流固耦合传递到飞行器结构，影响飞行稳定性和乘员舒适度。

3. 液压系统：飞行器的液压管路系统在压力脉动作用下会发生振动，严重时可能导致系统故障。

液压管路系统

北京航空航天大学的研究团队针对飞机液压管路系统的流固耦合问题，提出了一种改进的传递矩阵法。该方法能够准确预测管路系统的振动特性，为飞行器的振动设计提供有力支撑。研究团队通过实验验证了模型和方法的有效性，为解决航空液压泵压力脉动引发的管路振动问题提供了新的解决方案。

旋翼振动响应与噪声控制

在直升机设计中，旋翼的振动响应和噪声控制是关键的技术难题。通过双向流固耦合仿真分析，可以精确预测旋翼在不同工况下的振动响应和噪声特性，为优化旋翼设计、降低噪声提供数据支持。

飞行器气动弹性分析

气动弹性问题是飞行器设计中必须考虑的重要因素。通过流固耦合分析，可以预测飞行器在高速飞行时的结构变形和气动性能变化，确保飞行器在各种飞行条件下的稳定性和安全性。

2024年流固声耦合与控制学术会议在厦门成功举办，来自全国各地的300余名专家学者参加了此次会议。会议围绕流固声耦合与控制领域的前沿科学问题展开深入研讨，涵盖了数值计算方法、试验技术、流动控制技术等多个专题。会议共收到来稿130余篇，充分展示了该领域的最新研究成果。

此外，国家自然科学基金重大项目“水下流固耦合滑移边界力学理论及应用”2024年度学术交流会在南昌举行。该项目由北京大学主办，多位院士和专家参与，旨在推动流固耦合力学领域的科学研究和技术创新。

随着高性能计算技术的快速发展，以光滑粒子动力学（SPH）为代表的新一代仿真方法在流固耦合领域展现出广阔的应用前景。SPH方法在求解大变形、自由表面流、复杂界面运动等问题中具有显著优势，能够有效避免传统网格类算法的诸多难题。

深圳十沣科技有限公司推出的TF-SPH软件，融合了SPH方法的最新技术，支持多相流动、流固耦合及热流固多物理场仿真。该软件具有高效并行计算和可视化功能，为航空航天工程提供了强大的仿真工具。

流固耦合技术在航天飞行器设计中的应用日益广泛，从传统的气动弹性分析到现代的多物理场耦合仿真，技术不断进步。未来，随着计算能力的提升和仿真技术的发展，流固耦合技术将在提高飞行器性能、确保飞行安全方面发挥更加重要的作用。