0 引言

    隨著當代航天飛行器的發(fā)展和對空間探索興趣的日益增長，開發(fā)航天飛行器的高級多學科分析工具變得越來越重要。過去幾十年用于預測氣動力、結(jié)構(gòu)和燃燒的方法和軟件，得到了極速的發(fā)展。然而，理解和計算多學科之間的耦合和相互作用，仍須發(fā)展先進、高效以及能精確模擬各種物理現(xiàn)象的耦合算法。因此，用于分析評估航天飛行器的氣動熱伺服彈性和推進性能的集成系統(tǒng)，將發(fā)揮極為重要的作用。

    本文工作的重大創(chuàng)新是發(fā)展了ADI.SimWcxrk軟件，它能夠應(yīng)用在不同分析和設(shè)計階段的可變保真度模擬的氣彈系統(tǒng)中，進行流體、結(jié)構(gòu)和控制場仿真的精確集成和耦合，極大地節(jié)省了航天飛行器的性能預測和設(shè)計時間。此外，該軟件可用于從亞聲速到高超聲速的所有飛行范圍，還可以在動靜流體-結(jié)構(gòu)相互作用環(huán)境下，通過使用強大的最新技術(shù)CFD/CSD耦合算法和粒子材料點方法(MPM)進行建模和數(shù)值仿真。

    1 ADI.SimWork的集成軟件結(jié)構(gòu)

    ADI.SimWork3.0包括計算流體力學、計算結(jié)構(gòu)力學、流固耦合等子系統(tǒng)。其中計算流體力學(CFD)包括穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)仿真分析;計算結(jié)構(gòu)力學(CSD)包含粒子方法、有限元方法；流固耦合（FSI/AE/ASE)包括氣彈，氣動伺服彈性(ASE)等。軟件主要功能包括：

    (1)復雜流場模擬與氣動力預測；

    (2)復雜非定常流場高精度數(shù)值模擬；

    (3)六自由度運動數(shù)值模擬；

    (4)氣動噪聲數(shù)值模擬；

    (5)發(fā)動機燃燒高精度數(shù)值模擬；

    (6)內(nèi)外流一體化數(shù)值模擬；

    (7)高超聲速飛行器化學反應(yīng)數(shù)值模擬；

    (8)飛行器流固耦合(靜氣彈/動氣彈)數(shù)值模擬；

    (9)復雜結(jié)構(gòu)非線性數(shù)值模擬；

    (10)爆炸穿透過程數(shù)值模擬；

    (11)復合材料非線性快速數(shù)值模擬。

    ADI.SimWork3.0還包括前處理和后處理模塊。軟件結(jié)構(gòu)圖如下：

    圖1 ADI.SimWork3.0結(jié)構(gòu)圖

    ADI.SimWork3.0總體框架結(jié)構(gòu)共分為三層，分別為支撐層、核心層以及應(yīng)用層，其總體框架如圖2所示。

    圖2 ADI.SimWork3.0總體框架結(jié)構(gòu)

    2 ADI.SIMWORK的功能模塊

    2.1 嵌套網(wǎng)格氣動數(shù)值仿真模塊

    OverCFDLab軟件適用于復雜外形與復雜流場的數(shù)值模擬仿真，支持自定義與6-D0F運動，具有強大的模擬旋轉(zhuǎn)機械、多體分離、碰撞預測等多組件相對運動問題的能力。該軟件與同類軟件相比具有以下優(yōu)勢：

    (1)采用了最新的計算迭代技術(shù)及多重網(wǎng)格技術(shù)，計算速度及并行效率遠比同類軟件高。

    (2)采用的重疊網(wǎng)格能很方便的處理各種復雜的物理外形。

    (3)采用了先進的DES、DDES等湍流模型及HLLC、WEN0等高階數(shù)值格式，并且使用旋轉(zhuǎn)修正、曲率修正及溫度修正等，保證了計算的準確性，使用Koren、Minmod、vanAlbada以及光順技術(shù)，保證了計算的穩(wěn)定性。

    (4)可以選用理想氣體、變γ氣體、多組分氣體等氣體模型，因而能夠精確快速穩(wěn)定的模擬其他市場上常見商業(yè)軟件無法很好解決的跨聲速以及10Ma以上高超音速問題。

    2.2 噪音CAALab模塊

    當流體處于非定常運動時，壓力等物理量會產(chǎn)生脈動，這種非定常的脈動會產(chǎn)生噪音，本模塊采用RANS/LES混合方法，對湍流及其近場噪聲源有很好的模擬。流體模塊可以輸出全場和測點（包括點、線、面）的平均及其脈動量。CAALab對于測點的物理量，采用多窗口數(shù)據(jù)頻譜分析，使頻譜分析更加準確。

    2.3 燃燒CHCFDLab模塊

    燃燒化學反應(yīng)仿真系統(tǒng)CHCFDLab是專門針對發(fā)動機燃燒數(shù)值模擬的仿真軟件。它包含理想量熱完全氣體和混合熱力學氣體兩種氣體模型，采用的是多塊、結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、三維有限體積CFD求解器，可以模擬從亞聲速到高超聲速條件下有化學反應(yīng)、燃燒和湍流的復雜流場。

    2.4 氣彈FSILab模塊

    FSILab是一款基于CFD技術(shù)的氣動彈性力學仿真軟件，支持多種網(wǎng)格類型，適合復雜外形的氣動、靜氣彈以及動氣彈耦合分析。軟件包含高效的網(wǎng)格變形和插值算法，具備強大的網(wǎng)格修復功能，并支持用戶指定運動的氣動彈性耦合問題。

    2.5 BLADESIGN模塊

    Bladesign是一款對梁(beam)進行力學分析的一款CAE專業(yè)軟件。在采用復合材料的復雜梁結(jié)構(gòu)的力學分析上有著其余商業(yè)軟件無法比擬的高效率、易操作、高精度的優(yōu)勢。十分適合用于計算細長梁截面的結(jié)構(gòu)特性和慣性特性。

    Bladesign專門為復合材料梁設(shè)計定制了在通用的CAD環(huán)境下提供設(shè)計復合材料梁最好的方法，包括CAD建模、網(wǎng)格生成、有限元分析、材料庫和多功能的后處理器。能夠?qū)崿F(xiàn)從幾何建模、結(jié)構(gòu)分析、仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化、后處理等完整的設(shè)計分析功能，使設(shè)計人員能夠輕松、高效地完成復合梁的分析與設(shè)計工作。

    2.6 FEMLab模塊

    FEMLab模塊是一款適用于結(jié)構(gòu)分析的CAE軟件，可以實現(xiàn)線性靜態(tài)分析、動態(tài)響應(yīng)分析和熱分析等功能。

    FEMLab模塊包括0D、1D、2D、3D以及各種連接單元共40多種單元類型，載荷包括集中力、壓強、重力等常用載荷，可以滿足不同工程分析的需求。

    2.7 MPM物質(zhì)點法

    物質(zhì)點法是一種完全的拉格朗日質(zhì)點類方法，在每步中質(zhì)點和計算網(wǎng)格沒有相對運動，避免了歐拉法因非線性對流項產(chǎn)生的數(shù)值困難，并且容易跟蹤物質(zhì)界面。在涉及大變形和材料破壞的問題中具有明顯的優(yōu)勢。具體應(yīng)用如下：

    (1)裂紋是強不連續(xù)面，其萌生、擴展、分叉過程用網(wǎng)格類方法模擬時需要不斷重分網(wǎng)格，而用物質(zhì)點法在求解動態(tài)斷裂則沒有此類困難。

    (2)高速碰撞問題涉及超大變形、斷裂、破碎等強非線性現(xiàn)象。

    2.8 ADl.SimWork工具與類似軟件相比較的獨特點

    與已有CAE(如Fluent，CFX，Nastran，An_sys)軟件相比，ADI.SimWork軟件有以下幾大優(yōu)勢：

    (1)集成用戶友好，內(nèi)嵌多學科分析和設(shè)計所需的組件，所有模塊均可單獨或與其它模塊耦合運行和購買。

    (2)具有很強的求解非線性問題的能力，用于處理流體動力學（如激波高溫氣動）；結(jié)構(gòu)動力學(如基于粒子方法處理裂紋）；流固非線性耦合以及氣彈/氣動伺彈性(AE/ASE)。

    (3)CFD與CSD求解器直接嵌入FSI/AE和ASE模塊中，無須借助第三方軟件。

    (4)采用粒子方法無須生成復雜模型或旋轉(zhuǎn)機械的網(wǎng)格。

    (5)具有很強計算燃燒及噪聲的能力。

    (6)獨立的前處理和后處理，用于創(chuàng)建幾何模型、生成粒子、高質(zhì)量顯示結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)及粒子數(shù)據(jù)、快速生成動畫的能力。

    (7)全面及用戶友好的材料庫，用戶可選擇和自定義材料的類型和屬性。

    3 ADI.SIMWORK的應(yīng)用

    3.1 WPSF投彈算例

    3.1.1 問題描述

    該算例幾何外形由機翼/掛架/帶翼導彈組成。利用OverCFDLab對該算例進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明該軟件在多體分離、六自由度、動網(wǎng)格和網(wǎng)格自適應(yīng)上的優(yōu)勢。

    3.1.2 網(wǎng)格及計算結(jié)果

    (1)計算條件

    風洞模型為全尺寸模型的5%，這里給出全尺寸模型的計算參數(shù)：

    在導彈投放初期，為了確保投放過程中母機安全，試驗對導彈施加了兩個彈射力抑制導彈的低頭力矩，彈射力數(shù)據(jù)如下：

    (2)計算模型

    WPSF算例幾何模型和嵌套網(wǎng)格如圖3、4所示:近體網(wǎng)格數(shù)為4341506。

    計算采用的湍流模型是S-A模型，數(shù)值格式為Roe上風格式，時間推進選擇ARC3Ddiag，內(nèi)迭代20步，每50步進行一次網(wǎng)格自適應(yīng)。

 (3)計算結(jié)果

    由圖5和圖6可見:偏航角和側(cè)滑角和實驗結(jié)果非常接近，質(zhì)心位置和實驗結(jié)果基本一致，滾轉(zhuǎn)角與實驗值趨勢基本一致。表明OverCFDLab可準確預測導彈投放過程。

    3.2 直升機槳葉噪聲計算3.2.1問題描述

    利用OverCFDLab和CAALab計算了Caradon-na-Tung和UH-1旋翼的流場，并計算了UH-1旋翼的氣動噪聲，將計算結(jié)果和公開發(fā)表的實驗結(jié)果進行了對比。

    3.2.2 網(wǎng)格及流場計算

    OverCFDLab計算采用的網(wǎng)格是自主研發(fā)的嵌套網(wǎng)格生成工具OversetGrid軟件，網(wǎng)格生成過程如圖7所示。

    圖7 Caradonna-Tung旋翼嵌套網(wǎng)格生成

    計算揣流模型選用Spalart-Allmaras，該模型在翼型計算中具有較好的魯棒性；空間格式選取2階中心差分格式，時間推進采用ARC3DDiag，耗散項選擇TLNS3DDiss，每步進行15次牛頓內(nèi)迭代。計算步長采用0.25°。計算結(jié)果顯示:該軟件能夠準確計算出旋翼翼尖及下洗流場中的漩渦，數(shù)值耗散小，如圖8所示。

    在旋翼流場計算中，最重要的一個參數(shù)是旋翼表面壓力系數(shù)，通過壓力系數(shù)的對比再一次驗證了該軟件的精確性。該實驗數(shù)據(jù)由NASA公開文獻中獲得。

    圖10 x/c=0.96處壓力系數(shù)對比（Caradonna&Tung旋翼）

    在此基礎(chǔ)上，按照相同的處理方式計算了UH-1旋翼的流場和噪聲，流場計算方法和Caradon-na-Tung旋翼相同。對旋翼計算流場結(jié)果進行FW-H處理，得到UH-1旋翼的氣動噪聲，并和NASA公布的實驗結(jié)果進行了對比。噪聲計算誤差均在2.5%以下，均不超過2dB，體現(xiàn)了流場和噪聲的計算精度。

    3.3 直連式超聲速燃燒沖壓噴氣發(fā)動機SCHOLAR模型

    3.3.1 問題描述

    本算例所使用的幾何模型為NASALangley研發(fā)中心的直連式超聲速燃燒沖壓噴氣發(fā)動機。該模型是用來模擬馬赫數(shù)7.0高超聲速飛行條件下空氣和氫氣預混，再與氫氣射流進行燃燒反應(yīng)的過程。

    圖17 SCHOLAR幾何模型