飞行器气动预研设计的有力工具

1、飞行器气动预研设计的有力工具     飞行器设计的特点    随着计算机硬件和计算理论的发展，计算流体力学（CFD）技术在飞行器设计中占有着越来越重要的地位，其应用贯穿于飞行器设计的全过程。飞行器设计是一个大的系统工程，设计过程包括概念设计、初步设计、详细设计等一系列阶段。显然，在不同的设计阶段采用不同特点的气动设计软件，以更高效的达到特定的目的是明智的选择。在新机预研的概念设计和初步设计阶段，需要对大量气动布局方案进行筛选，此时要求气动软件能快速的给出气动力数据，以便进行方案的比较，确定布局形式。NASA Ame

2、s 研究中心开发的Cart3D软件便是专门针对飞行器概念和初步设计阶段的要求而开发的快速气动设计软件，其快速高效的特点使其在NASA各研究中心、美军研究机构、航空航天工业公司都得到成功的应用，也因此荣获NASA 2002年度软件大奖。    CART3D的特点    Cart3D是包括几何输入、表面处理和相交、网格生成和流动模拟的完整流动分析软件包，如今由ANSYS公司进行全球销售和技术支持。该软件采用最新的计算图形学、计算几何学和计算流体动力学技术，提供了无与伦比的自动和高效的几何处理和流体分析功能。  

3、0;     在NASA研究中心该软件主要用于预研和方案筛选的概念设计阶段，进行设计流程分析和气动数据库生成。Cart3D完全集成在ANSYS ICEMCFD界面下，充分利用ICEMCFD强大的模型输入、几何处理、网格生成、结果处理功能。具体来说，Cart3D有如下特点：1.基于部件的几何建模    Cart3D几何体建模采用的是基于部件的方法，导入Cart3D的几何体由所有部件的集合构成，每个部件都作为独立实体，可以单独移动、旋转，只要求每一个部件是一个封闭的几何面即可。每个部件的表面网格单独创建，各部见之间可以有交叉，交叉部分由C

4、art3D自动求交，构成单一的飞行器表面网格，求交运算采用一系列经证实的计算几何学和计算机图形学的强壮算法。基于部件方法的好处在于建模简单快速，同时符合飞行器部件设计的规律。每一复杂外形的飞行器布局可以拆为若干个简单的部件（如机身、机翼等），对部件单独建模，并单独创建表面网格，最后由Cart3D自动将部件的表面网格求并集，组合为完整布局的表面网格。这一方法除了使建模快速以外，也使研究部件参数变动变得异常方便，如调整操纵面偏角或改变机翼外形时，只需变动操纵面或机翼的表面网格，而不用变动其它部件的表面网格。各部件的几何体可以通过ICEM CFD建立，也可有一般的CAD软件创建后导入ICEM CFD

5、，由ICEM CFD划分表面三角形网格。基于ICEM CFD强大的CAD接口能力，几乎可以导入所有格式CAD文件。2.自适应笛卡儿体网格生成    网格划分通常会占到CFD计算工作量的60%以上，且一般需要专职的队伍，因而网格生成方法一直是CFD应用的关键技术之一。Cart3D采用独特的自适应笛卡儿体网格作为其求解的基础，使网格建立变得异常简单快速，在基本不需要网格划分技巧的情况下，只需简单设置几个参数，系统会基于部件表面网格，自动生成空间笛卡儿网格，并根据加密参数在表面附近自动加密。    强壮的体网格生成算法使用自适应细化笛卡尔网

6、格来捕捉模型的细节，且自适应求解网格可以随求解得到进一步改善。体网格划分速度快，数百万的网格在台式机上几分钟即可生成。网格生成难度对表面描述的复杂性不敏感，因此可以自动处理复杂问题的空间网格，不需要用户的干预。 3.无粘Euler方程求解    Cart3D求解器基于可压缩Euler方程，适用于亚、跨、超音速流动分析。其采用有限体积法离散，流动变量位于网格单元的中心。时间离散使用龙格库塔法，通过时间推进得到稳态解。空间离散为迎风格式，使用限制器，格式具有TVD性质。通量函数和限制器可选。为加速收敛，Cart3D使用多重网格法来加速迭代过程。 &

7、#160;  Cart3D压力积分模块可从计算结果中快速提取全机和任一部件的升力、阻力，俯仰、滚转力矩等气动参数，并分别以风轴和体轴系给出。同时可给出任一部件、部件组，关于任一点、线的力矩。    计算结果的流场后处理可以使用ICEM CFD的后处理模块，也可以输出到其它多种后处理软件中，给出流场分布信息。4.并行计算    基于分区算法，Cart3D可用于并行计算，使用64个处理器并行计算，其加速比可达60以上。Cart3D可自动进行分区网格划分，用户只需设置参数。5.批处理计算    概念和

8、初步设计阶段，除了布局方案多以外，每个方案需要计算的状态也是大量的。Car t3D以快速求解为基础，针对多状态求解，专门提供的批处理计算功能。用户可预先设置一系列需计算的状态参数（如迎角、马赫数等），Cart3D可自动依次求解所用流动状态，并自动给出所有气动力数据，形成气动数据库，来支持预研设计和方案筛选。6.外挂和导弹投放模拟     针对飞行器外挂物和导弹投放等运动物模拟，Cart3D提供了六自由度刚体和流体耦合模块，其独特的笛卡儿网格系统可方便的采用动网格技术。用户可指定需运动的部件，设置其几何和运动参数、运动起止时间及时间间隔，Cart3D会自动

9、求出每一时间步的流场信息及部件的运动轨迹，实现运动模拟。    基于以上特点可见，Cart3D作为快速气动预研软件，是飞行器概念和初步设计阶段的有力工具。    在NASA，每天都会有成千上万次气动模拟加入数据库。美国情报局的用户报道每天超过4000次模拟。CART3D软件的用户遍布美国。有四个NASA研究中心，三个能源部实验室，三个美国军事机构和很多情报机构每天都在使用这个软件。有11个大学，20个公司报道成功应用该软件。MIT（麻省理工学院），Johns Hopkins（约翰霍普金斯大学），斯坦福大学都从CART3D应用中受益匪浅，格鲁门、Raytheon使用CART3D进行军用装置和商业飞行器的分析和概念设计。在Johnson 航天中心，用CART3D模拟NASA逃生舱的形状。    Cart3D的广泛应用充分说明了其强劲的生命力和优越的性能，其在航空航天领域的应用也必将越来越广泛。    哥伦比亚号航天飞机绝热泡沫碎片脱落轨迹，发射后从燃料箱外部脱落打到左机翼上。哥伦比亚号事故调查委员会（CAIB）