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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、結構化重疊網格求解N-S方程，用于全聲速域條件下氣動運動耦合的復雜流場仿真和軌跡預測。

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，可精確預測亞、跨、超、高超音速范圍內（0.01<Ma<10）的復雜流場（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，可進行碰撞預測仿真。

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

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

二、特色優勢

 1.  分塊劃分、多人協同，網格組裝， 復雜構型網格生成，效率更高；

 2.  結構化網格，高階(4\6階中心差分、5階WENO)精度格式，計算精度更好；

 3.  多級背景網格自適應算法，流場特征（渦量、激波）捕捉更細；

 4.  粗、細粒度（MPI+OpenMP）混合并行，計算效率更快；

 5.  近體網格與遠場網格自動解耦，負載均衡能力更強。

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Ma=0.95

采用2階Roe 迎風格式計算1000步，內迭代20步。每50步進行一次網格自適應。采用4線程計算1380步，共計耗時56小時。

圖 2 WPSF幾何與網格模型

b. 計算結果

圖 3 某時刻物面壓力云圖

圖 4 不同時刻導彈軌跡

圖 5 不同時刻導彈質心與角速度計算結果與試驗結果對比

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，機翼表面會呈現諸如局部超音速流動，激波，邊界層分離等復雜流動狀態；對于超聲速飛行器，機翼表面存在的激波對機翼的設計有著極大的影響，利用分塊重疊網格的優勢，在飛行器優化設計階段，可以單獨生成優化部件網格，組裝形成全機網格，實現氣動性能快速評估。

圖 6 DLR-11飛行器計算網格

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分布

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

圖 9 常規構型直升機懸停旋翼機身氣動干擾 

 圖 10 常規構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旋翼機身氣動干擾 

圖 13 常規構型直升機前飛旋翼/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，彈托氣動參數隨時間變化規律以及彈托運動姿態分析。采用嵌套網格技術，解決彈托和彈芯間無縫隙結構建模技術難題，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的主要場地，現代作戰艦艇裝備復雜，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生，流場結構復雜、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。用結構化嵌套網格CFD方法開展艦船流場數值模擬，實現艦載機起降區域流場精確預報，提高艦載機起降安全裕度，為現役艦載機起降、新研艦載機設計提供技術支持。

圖 16 艦面流場流線分布

圖 17 艦面流場馬赫數云圖

圖 18 艦面流場渦量圖

五、行業客戶

  航天：北京機電工程研究所

  航空：航空工業空空導彈研究院、航空工業直升機設計研究所

  院校：南京航空航天大學航空學院