氣動仿真軟件(OverCFDLab)
氣動仿真軟件OverCFDLab是一款針對多體相對運(yùn)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(yùn)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(diǎn)
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(yùn)動軌跡。
3. 采用最小安全距離方法自動識別運(yùn)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(yùn)動耦合模型，可精確預(yù)測旋翼飛行器旋翼/機(jī)身/尾槳/地面/艦船全機(jī)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(jì)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(jì)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(qiáng)。
三、精度驗(yàn)證
WPSF六自由度運(yùn)動投彈仿真
a. 計(jì)算模型
來流馬赫數(shù)Ma=0.95
采用2階Roe 迎風(fēng)格式計(jì)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(jì)算1380步，共計(jì)耗時(shí)56小時(shí)。
圖 2 WPSF幾何與網(wǎng)格模型
b. 計(jì)算結(jié)果
圖 3 某時(shí)刻物面壓力云圖
圖 4 不同時(shí)刻導(dǎo)彈軌跡
圖 5 不同時(shí)刻導(dǎo)彈質(zhì)心與角速度計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比
四、典型案例
固定翼飛行器氣動性能計(jì)算——對于跨聲速飛行器，機(jī)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(jī)翼表面存在的激波對機(jī)翼的設(shè)計(jì)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(jì)階段，可以單獨(dú)生成優(yōu)化部件網(wǎng)格，組裝形成全機(jī)網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)氣動性能快速評估。
圖 6 DLR-11飛行器計(jì)算網(wǎng)格
圖 7 不同攻角下機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)尾跡渦的精細(xì)化捕捉。
圖 9 常規(guī)構(gòu)型直升機(jī)懸停旋翼機(jī)身氣動干擾
圖 10 常規(guī)構(gòu)型直升機(jī)前飛帶吊掛旋翼機(jī)身氣動干擾
圖 11 共軸雙旋翼直升機(jī)懸停旋翼機(jī)身氣動干擾
圖 12 四旋翼飛行器懸停狀態(tài)旋翼機(jī)身氣動干擾
圖 13 常規(guī)構(gòu)型直升機(jī)前飛旋翼/機(jī)身/尾槳?dú)鈩痈蓴_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(shí)間變化規(guī)律以及彈托運(yùn)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(shí)的非定常運(yùn)動求解方法，確保仿真過程的物理真實(shí)性。
圖 14 超音速穿甲彈幾何和網(wǎng)格模型
圖 15 不同時(shí)刻脫殼過程
艦面流場仿真——艦船甲板是艦載機(jī)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(shí)，常伴隨有分離、回流、旋渦等運(yùn)動形式的發(fā)生，流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜、隨機(jī)性強(qiáng)，將引起艦載機(jī)在陸地起降操縱時(shí)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(shí)現(xiàn)艦載機(jī)起降區(qū)域流場精確預(yù)報(bào)，提高艦載機(jī)起降安全裕度，為現(xiàn)役艦載機(jī)起降、新研艦載機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)設(shè)計(jì)研究所
院校：南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院
