氣彈仿真軟件(HCFDLab)
氣彈仿真軟件HCFDLab是一款針對復(fù)雜構(gòu)型氣動-結(jié)構(gòu)相互耦合作用的仿真軟件。支持四面體、六面體等混合網(wǎng)格求解N-S方程和結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程，用于亞、跨、超音速條件下的復(fù)雜流場仿真。
圖 1 氣彈仿真軟件
一、功能特點(diǎn)
1. 理想氣體不可壓/可壓縮N-S流體方程求解，可精確預(yù)測亞、跨、超音速范圍內(nèi)（0.01<Ma<5）的復(fù)雜流場（分離流、激波邊界層干擾）特性；
2. 結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程耦合N-S流體方程求解，可精確預(yù)測氣動彈性穩(wěn)定性和響應(yīng)問題。
3. 指定時間歷程的結(jié)構(gòu)模態(tài)擾動引起的非定常氣動力仿真；
4. 在給定陣風(fēng)載荷（包括來流方向和幅值突變）條件下，基于CFD方法進(jìn)行時域陣風(fēng)響應(yīng)計算。
二、特色優(yōu)勢
1. 高保真度CFD/CSD時域推進(jìn)耦合氣動彈性精細(xì)化仿真，準(zhǔn)確捕捉跨音速顫振“凹坑”等非線性特征；
2. 支持緊支徑向基函數(shù)(RBF)和逆等參映射(IIM)兩種高效數(shù)據(jù)插值方法；
3. 靜氣彈計算支持模態(tài)法和柔度法2種方法，高效計算舵效、氣動載荷重新分布、靜變形等問題；
4. 動氣彈計算支持模態(tài)法和調(diào)用外部有限元軟件NASTRAN聯(lián)合仿真，準(zhǔn)確計算顫振、抖振、嗡鳴問題；
5. 采用網(wǎng)格速度法實(shí)現(xiàn)多種陣風(fēng)類型響應(yīng)計算，包括cos、sin、gauss、1-cos以及各種類型的自由組合。
三、精度驗(yàn)證
BSCW機(jī)翼跨音速激波邊界層干擾氣動計算
a. 計算模型
來流馬赫數(shù)Ma=0.85
采用2階Roe 迎風(fēng)格式，湍流模型SA
圖 2 BSCW幾何與網(wǎng)格模型
b. 計算結(jié)果
圖 3 某剖面位置壓力系數(shù)分布計算值與FLUENT對比
圖 4 某剖面位置壓力系數(shù)云圖和馬赫數(shù)云圖
圖 5 不同時刻導(dǎo)彈質(zhì)心與角速度計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比
四、典型案例
跨音速顫振預(yù)測——跨音速顫振是飛行器氣動彈性分析的難點(diǎn)，傳統(tǒng)的勢流線化方法不能準(zhǔn)確預(yù)測飛行器高亞音速和跨音速的非定常氣動力，主要是不能準(zhǔn)確的預(yù)測激波的位置、范圍，以及激波的位置和范圍隨結(jié)構(gòu)變形而發(fā)生的變化。目前采用全階非線性Euler方程或N-S方程與結(jié)構(gòu)運(yùn)動方程耦合來數(shù)值模擬跨音速顫振問題已經(jīng)成為工程研究的趨勢。
圖 6 AGARD機(jī)翼氣動-結(jié)構(gòu)耦合數(shù)據(jù)插值
圖 7 跨音速顫振“凹坑”計算
跨音速單自由度舵面嗡鳴預(yù)測——在跨音速或低超音速飛行時，操縱面(副翼、方向舵、全動平尾)有時會發(fā)生繞鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)的單自由度自激振動，強(qiáng)烈的嗡鳴可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞，常常影響著新型號的研制進(jìn)程。基于CFD的分析方法，可以準(zhǔn)確預(yù)測激波位置和強(qiáng)度，從而為預(yù)測嗡鳴的發(fā)生。
圖 8 單自由度舵面幾何和網(wǎng)格
圖 9 不同馬赫數(shù)條件下，激波位置分布
圖 10 發(fā)生嗡鳴時，舵面等幅振蕩廣義位移時間歷程曲線圖與相平面圖
靜氣彈舵效分析——結(jié)構(gòu)彈性變形對于現(xiàn)代高性能飛行器（如帶有大展弦比升力面）的性能、靜和動穩(wěn)定性等飛行品質(zhì)也有不可忽略的影響。靜氣彈變形對舵面操縱效率的影響是氣彈分析的一個重要方向。
圖 11 大展弦比機(jī)翼靜變形和不同舵偏角下的力矩系數(shù)變化
圖 12 不同工況的下的流場分布
結(jié)構(gòu)模態(tài)擾動非定常氣動力計算——采用結(jié)構(gòu)模態(tài)擾動流場，觀察氣動力的變化，可以分析不同的模態(tài)形式對流場影響的強(qiáng)度。
圖 13 模態(tài)擾動計算模型和散點(diǎn)插值
圖 14 階躍激勵和諧波激勵模態(tài)擾動后的廣義位移曲線
五、行業(yè)客戶
航天：北京機(jī)電工程研究所、上海機(jī)電工程研究所
航空：航空工業(yè)洪都650所
