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氣動仿真軟件(OverCFDLab)

氣動仿真軟件OverCFDLab是一款針對多體相對運動的氣動仿真軟件。支持多塊、結(jié)構(gòu)化重疊網(wǎng)格求解N-S方程，用于全聲速域條件下氣動運動耦合的復(fù)雜流場仿真和軌跡預(yù)測。

圖 1  氣動仿真軟件 

一、功能特點

 1. 理想氣體/多組分氣體/變gamma氣體，不可壓/可壓縮N-S流體方程求解，可精確預(yù)測亞、跨、超、高超音速范圍內(nèi)（0.01<Ma<10）的復(fù)雜流場（分離流、激波邊界層干擾）特性。

 2. 六自由度（6-DOF）方程耦合N-S流體方程求解，可精確預(yù)測多體分離運動軌跡。

 3. 采用最小安全距離方法自動識別運動邊界，可進(jìn)行碰撞預(yù)測仿真。

 4. 多種RANS/LES混合分離渦湍流模型，為氣動噪聲（CAA）預(yù)測提供精確的流場數(shù)據(jù)。

 5. 專用旋翼飛行器旋轉(zhuǎn)/揮舞/擺振/變距多級運動耦合模型，可精確預(yù)測旋翼飛行器旋翼/機身/尾槳/地面/艦船全機氣動干擾。

二、特色優(yōu)勢

 1.  分塊劃分、多人協(xié)同，網(wǎng)格組裝， 復(fù)雜構(gòu)型網(wǎng)格生成，效率更高；

 2.  結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，高階(4\6階中心差分、5階WENO)精度格式，計算精度更好；

 3.  多級背景網(wǎng)格自適應(yīng)算法，流場特征（渦量、激波）捕捉更細(xì)；

 4.  粗、細(xì)粒度（MPI+OpenMP）混合并行，計算效率更快；

 5.  近體網(wǎng)格與遠(yuǎn)場網(wǎng)格自動解耦，負(fù)載均衡能力更強。

三、精度驗證

        WPSF六自由度運動投彈仿真

a. 計算模型

來流馬赫數(shù)Ma=0.95

采用2階Roe 迎風(fēng)格式計算1000步，內(nèi)迭代20步。每50步進(jìn)行一次網(wǎng)格自適應(yīng)。采用4線程計算1380步，共計耗時56小時。

圖 2 WPSF幾何與網(wǎng)格模型

b. 計算結(jié)果

圖 3 某時刻物面壓力云圖

圖 4 不同時刻導(dǎo)彈軌跡

圖 5 不同時刻導(dǎo)彈質(zhì)心與角速度計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

四、典型案例

  固定翼飛行器氣動性能計算——對于跨聲速飛行器，機翼表面會呈現(xiàn)諸如局部超音速流動，激波，邊界層分離等復(fù)雜流動狀態(tài)；對于超聲速飛行器，機翼表面存在的激波對機翼的設(shè)計有著極大的影響，利用分塊重疊網(wǎng)格的優(yōu)勢，在飛行器優(yōu)化設(shè)計階段，可以單獨生成優(yōu)化部件網(wǎng)格，組裝形成全機網(wǎng)格，實現(xiàn)氣動性能快速評估。

圖 6 DLR-11飛行器計算網(wǎng)格

圖 7 不同攻角下機翼截面速度分布云圖

圖 8 不同截面位置壓力系數(shù)分布

 旋翼飛行器全機氣動干擾仿真——旋翼流場涉及復(fù)雜的渦動力學(xué)、非定常干擾、旋翼與機身部件的復(fù)雜氣動干擾問題，精確的旋翼尾跡渦捕捉是CFD數(shù)值模擬的難題，軟件采用高階精度格式、DDES分離渦湍流模型，結(jié)合多級背景網(wǎng)格自適應(yīng)可以實現(xiàn)尾跡渦的精細(xì)化捕捉。

圖 9 常規(guī)構(gòu)型直升機懸停旋翼機身氣動干擾 

 圖 10 常規(guī)構(gòu)型直升機前飛帶吊掛旋翼機身氣動干擾

圖 11 共軸雙旋翼直升機懸停旋翼機身氣動干擾

圖 12 四旋翼飛行器懸停狀態(tài)旋翼機身氣動干擾 

圖 13 常規(guī)構(gòu)型直升機前飛旋翼/機身/尾槳氣動干擾仿真

  超音速穿甲彈氣動脫殼仿真——某超音速彈氣動脫殼連續(xù)過程仿真，主要模擬氣動脫殼過程中，彈托與彈芯在氣流干擾作用下，超音速彈的流場分布特性，彈托氣動參數(shù)隨時間變化規(guī)律以及彈托運動姿態(tài)分析。采用嵌套網(wǎng)格技術(shù)，解決彈托和彈芯間無縫隙結(jié)構(gòu)建模技術(shù)難題，采用真實的非定常運動求解方法，確保仿真過程的物理真實性。

圖 14 超音速穿甲彈幾何和網(wǎng)格模型 

圖 15 不同時刻脫殼過程 

  艦面流場仿真——艦船甲板是艦載機海上作業(yè)的主要場地，現(xiàn)代作戰(zhàn)艦艇裝備復(fù)雜，空氣在流過島式上層建筑時，常伴隨有分離、回流、旋渦等運動形式的發(fā)生，流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜、隨機性強，將引起艦載機在陸地起降操縱時未遇到過的特殊操縱性問題。用結(jié)構(gòu)化嵌套網(wǎng)格CFD方法開展艦船流場數(shù)值模擬，實現(xiàn)艦載機起降區(qū)域流場精確預(yù)報，提高艦載機起降安全裕度，為現(xiàn)役艦載機起降、新研艦載機設(shè)計提供技術(shù)支持。

圖 16 艦面流場流線分布

圖 17 艦面流場馬赫數(shù)云圖

圖 18 艦面流場渦量圖

五、行業(yè)客戶

  航天：北京機電工程研究所

  航空：航空工業(yè)空空導(dǎo)彈研究院、航空工業(yè)直升機設(shè)計研究所

  院校：南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院