在军事与航空工业领域，系统研究变得越来越复杂，而设计时间与经费也越来越缩减。这些系统与元器件可能是机械式、电气式或两者兼而有之。空对空加油系统是复杂航空系统的典型示例之一。它不仅包括用于输送燃油的管道，还包括诸如飞机对接处的燃油喷嘴之类的复杂三维元器件。在设计与分析这些系统时，共使用了三套方案。

第一种方案

设计、制作物理样机，测试物理样机，修改设计，然后不断重复该过程，因此该方案极其昂贵而且耗时。

第二种方案

进行过度设计，这样产生的解决方案比较安全，但成本效益较低，增加了机载系统的重量，而且会影响设计为在窄带宽下运行的系统的性能。

第三种方案

在设计早期及整个设计流程中利用计算流体动力学 (CFD) 分析制作虚拟样机，这样就能以较低的成本达到优化系统的目的，并且能够加快系统的部署速度。

显然，第三种方案为设计人员提供了机会来实验多种设计方案，以及获取更为优化的设计。如果每次实验设计都要求建造和测试物理样机，则无法做到这一点。

我们应该分析系统中的哪些效应？

假设我们为一家正在开发新型加油系统的航空航天公司工作，或者我们需要分析现有系统中存在的一些问题。在对设计执行分析和后续更改时，我们希望确保系统满足下列三项性能标准：

1) 系统能否以可接受的速度将燃油输送到受油飞机中？或者说，系统流量是否符合规格？

2) 系统能否以均匀的速度将燃油输送到战斗机的油箱内？战斗机的油箱在机翼上，如果向油箱输油的速度不均衡，则一支机翼就会快速增重，战斗机将失去平衡，并可能被迫脱离加油机。

3) 当战斗机有计划地或在紧急脱离的情况下断开与加油机的连接时，水锤对管道的影响是否会导致过大的压力波动，进而损坏系统？只要了解自身系统能够承受的最大压力，就能通过分析判断我们的设计是否符合规格。

因此我们需要一套 CFD 解决方案来协助我们快速分析这些效应。首先，我们按照自己认为有助于解决系统问题的思路对设计进行修改。然后，我们将快速对试验更改进行重新分析，使其逐渐向最优设计靠拢，并最终满足所有规格。

选择正确的 CFD 分析方法

我们可选择使用两种类型的 CFD 分析工具。一种可用来对管道进行分析，可视为一维分析（即燃油仅在管道的轴向流动）。另一种可用来分析非常复杂的元器件，其中的燃油流动是三维形式的，例如通过燃油喷嘴时。我应该使用什么样的 CFD 工具来分析这种兼有一维管道和三维复杂元器件的系统？

当对复杂油嘴进行仿真时，一维 CFD 工具比三维 CFD 工具的速度要快得多，但是精度却不足。但如果我们仅使用三维 CFD 工具分析完整的系统，我们可能会得到需要的精度，但计算机的执行时间太长，而且没有达到快速、多次实验多个设计方案的目的。最佳方案就是将一维与三维工具相结合，利用彼此的长处。

图 1. 空对空加油系统既包含简单的管道也包含非常复杂的元器件，如油嘴等

结合使用一维与三维CFD工具

我们将在分析中通过使用一维系统仿真工具 Flowmaster 和三维仿真工具 FloEFD 来阐明这一集成系统的工作原理。图 2 描述了如何将此一维与三维组合解决方案应用于加油系统。

图 2. 结合使用一维与三维 CFD 可充分运用两套方案的优点，并在分析中兼顾速度和精度要求

首先，加油系统的设计人员定义油嘴可能存在的一系列操作边界值（如压力与流量）。他们通过研究典型的加油情景，以及在正常与极限条件下系统可能输送的完整条件范围来确定这一点。

油嘴的 MCAD 设计人员使用嵌入到 PTC Creo、CatiaV5、NX 或 SolidWorks MCAD 系统中的三维分析工具来对油嘴运行详细的流体流动分析。由于该三维分析是内嵌的，因此设计人员可直接在 MCAD 工具内使用同一界面、直接从 MCAD 模型创建的分析模型（无需任何数据转换）以及自动网格划分和收敛功能来进行这些分析。

图 3. 将 FloEFD油嘴特性的CFD分析结果捕捉到涵盖了可能的操作条件范围的模型中

油嘴设计人员基于系统设计人员提供的油嘴边界值范围设置一套分析方案。设计人员只需指定条件范围，三维分析软件便可自动创建被称为“实验设计”的条件集。通过三维分析，这将产生 30、40 甚至更多项批量模型执行。对于复杂的元器件而言，可能需要通宵运行。运行所产生的数据将自动提取为详细特征图表，并用来表示完整的油嘴模型。

然后只需在Flowmaster中打开此模型，并保存到一维系统分析工具的关系数据库中即可。现在，系统设计人员可以通过实验设计预期的一系列加油情况来运行流量分析，并对系统进行设计更改，以及运行后需分析。油嘴模型依然有效，因为它全面涵盖了素有可能的操作条件。

图 4. Flowmaster 结果显示了战斗机的四个油箱如何完全收敛于符合规范的速率，从而避免导致战斗机的失衡总结

总结

我们首先设定了优化系统的三条标准：流量、战斗机邮箱的流量分布，以及分离式可能产生的水锤效应。使用三维推倒油嘴模型进行一维分析，可以快速（只需几分钟）精确的生成图表和数值数据，以表示整个系统内所有节点处的上述效应。图4展示了战斗机的四个油箱的油位变化，图5则展示了水锤效应。

图 5. 系统设计人员必须分析最大“水锤”压力，以确定它是否会对系统造成伤害

一维和三维CFD仿真

将复杂元器件（油嘴）三维仿真的精度与一维管道系统分析的速度相结合，可以充分发挥二者的优势。通过提高分析速度，系统设计人员可以尝试多种设计方案，并设计出具有稳定的优化性能的加油系统。

这种组合使用一维和三维集成分析方法的做法也可推广至其他航空航天系统， 例如发动机机载燃油供应、发动机散热、舱内环境（空气）等。他还可以应用于汽车等行业的散热系统和排气装置、化学处理、能源、公用设施等等。