氣動(dòng)分析軟件cart3d介紹

CART3D&GoCARTAutor：劉正賓Date：16/12/2014目錄公司介紹Cart3D簡介Cart3D理論應(yīng)用附加模塊總結(jié)DesktopAeronautics成立于1994年2012年被AerionCorporation收購目前12名員工，加州PaloAltoNASACart3D的發(fā)行商Cart3D背景NASAAmesResearchCenter聯(lián)合CourantInstituteNYU研發(fā)的快速CFD分析工具笛卡爾歐拉求解器適應(yīng)于任意復(fù)雜構(gòu)型運(yùn)行于命令行GoCart是對(duì)Cart3D執(zhí)行程序的一個(gè)封裝用戶可以導(dǎo)入幾何模型，構(gòu)建笛卡爾網(wǎng)格，運(yùn)行求解器，進(jìn)行后處理（分鐘級(jí)別的）典型應(yīng)用飛行器概念設(shè)計(jì)火箭發(fā)射分析音爆預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)身干擾和優(yōu)化飛行預(yù)報(bào)飛船返回傳統(tǒng)CFD方法結(jié)構(gòu)網(wǎng)格多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（CFL3D）嵌套網(wǎng)格（CFD-FASTRAN）非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格四面體網(wǎng)格（FUN3D）混合網(wǎng)格（CFX、FLUENT）傳統(tǒng)CFD方法優(yōu)勢(shì)：可以處理任意復(fù)雜幾何體精度高（Naver-Stokes方程）缺點(diǎn)：網(wǎng)格生成繁瑣，耗時(shí)不能適應(yīng)概念設(shè)計(jì)階段的大批量計(jì)算面對(duì)小的幾何改變必須重新做缺乏自動(dòng)化經(jīng)驗(yàn)性太強(qiáng)耗費(fèi)計(jì)算資源不適合優(yōu)化級(jí)別的任務(wù)運(yùn)行CART3D-笛卡爾歐拉求解器優(yōu)勢(shì)可以處理任意復(fù)雜幾何體網(wǎng)格生成簡單快速非常適合小的改型可以完全自動(dòng)化對(duì)經(jīng)驗(yàn)依賴小計(jì)算效率高適合優(yōu)化缺點(diǎn)：精度損失（沒有黏性計(jì)算）CART3D分析流程幾何預(yù)處理生成網(wǎng)格運(yùn)行求解器結(jié)果后處理幾何預(yù)處理封閉的三角形面網(wǎng)格基于組件的方法每一個(gè)組件封閉的三角形網(wǎng)格轉(zhuǎn)換三星形的格式文件轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)網(wǎng)格將STEP文件試用astri三角化使用intersect構(gòu)造浸濕三角化表面網(wǎng)格生成使用autoInputs生成網(wǎng)格輸入文件默認(rèn)的效果非常好允許對(duì)網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行用戶手動(dòng)調(diào)整使用cubes生成網(wǎng)格使用mgPres生成多重網(wǎng)格用于求解加速整個(gè)過程分分鐘求解器運(yùn)行輸入文件飛行條件（Mach，alpha）邊界條件后處理輸出求解器高級(jí)設(shè)置運(yùn)行求解器（flowCart）OpenMP并行MPI并行實(shí)時(shí)監(jiān)測收斂狀況一般4-10分鐘（根據(jù)機(jī)器性能，網(wǎng)格數(shù)目）IBL（黏性修正）Adaptationmesh（自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)）后處理輸出文件三角化表面的結(jié)果文件空間流場切片CLiC分析力和力矩的積分基于組件的計(jì)算任意表面切片提取壓力分布文件Tecplot文件表面結(jié)果文件空間流場可以輸出給paraview等其他的第三方后處理顯示工具理論自動(dòng)組件相交三角形與三角形相交用相交線將三角形為位于此線的內(nèi)部和外部尖角的問題程序處理起來有些問題（退化）三角形相交將使用八叉樹算法進(jìn)行劈分計(jì)算網(wǎng)格用戶定義的初始網(wǎng)格自動(dòng)生成的加密網(wǎng)格注意：遠(yuǎn)場的邊界比建議的要近網(wǎng)格加密對(duì)加密的網(wǎng)格進(jìn)行標(biāo)記表面網(wǎng)格比體網(wǎng)格最小的網(wǎng)格要大面的曲率：θ或者φ超過指定的臨界值（見下圖）手動(dòng)指定的區(qū)域進(jìn)行加密兩層之間的過渡（buffer區(qū)）在cubes程序中還有一些不經(jīng)常用的穿過cell的最大角變量相鄰網(wǎng)格之間最大角的變化網(wǎng)格生成挖去內(nèi)部的網(wǎng)格使用“投射法”判斷內(nèi)部/外部網(wǎng)格內(nèi)部/外部網(wǎng)格可以快速的互換幾何表面的體網(wǎng)格對(duì)于延伸進(jìn)體中的網(wǎng)格采用三角形進(jìn)行切割稱為：cutcells還有一些稱為：splitcells所有的cutcells所有的splitcells多重網(wǎng)格V和W循環(huán)（推薦W）網(wǎng)格稀化的過程沿著路徑向下（光順前期預(yù)備）和視情況向上的路徑（光順后期處理）網(wǎng)格稀疏化在多重網(wǎng)格加速的過程中，網(wǎng)格的稀疏化自動(dòng)進(jìn)行（推薦3-6層）網(wǎng)格的稀疏化通過網(wǎng)格合并來進(jìn)行當(dāng)同族的網(wǎng)格在同一層內(nèi)，那么網(wǎng)格只能進(jìn)行稀疏化Peano-Hilbert順序加速稀疏化算法（每一個(gè)網(wǎng)格稀疏化一次）壁面邊界處理減掉延伸內(nèi)部的體積為cutcells的體積通過剩余的體積計(jì)算cutcells的中心格點(diǎn)使用兩種方法計(jì)算壁面邊界的cutfaces：平板近似（默認(rèn)）Subcell近似（-subcell）壓力的計(jì)算采用當(dāng)?shù)氐牧鲌鎏荻葟腸utcells的中心格點(diǎn)到三角形還有一種算法就是將cutcell一個(gè)一個(gè)的進(jìn)行三角化細(xì)分，找出我們需要的部分進(jìn)行計(jì)算力的計(jì)算流場求解器flowCart標(biāo)準(zhǔn)的CFD求解器先進(jìn)網(wǎng)格技術(shù)中心有限體積時(shí)間離散：5階龍格庫塔法CFL=1.2~1.4（推薦）CFL=1.0或者更小（跨音速推薦）空間離散：帶通量限制器的2階離散（MUSCL）VanLeer’s通量矢量分裂（迎風(fēng)格式）五種通量限制器多重網(wǎng)格通量函數(shù)交接面通量函數(shù)計(jì)算可用的通量函數(shù)VanLeer’s通量矢量分裂（FVS）VanLeer’s-hanel通量矢量分裂ColellaHLLCVanLeer’sFVS魯棒性和效率俱佳（推薦）通量函數(shù)的使用主要為了減少不連續(xù)坡度限制器FVM可以得到二階精度限制器不需要引入新的數(shù)值震蕩默認(rèn)VanLeer，Minmod魯棒性最好（但是更多的耗散）沒有限制器（會(huì)產(chǎn)生震蕩）Barth-Jespersen（沒有光順，引入耗散最小）VanLeer（光順）Sinlimiter（光順）VanAlbada（光順）Minmod（沒有光順）坡度限制器（續(xù)）坡度限制器對(duì)比例子Barth-Jespersen（紅）VSVanAlbada（綠）限制器并行網(wǎng)格的分區(qū)為了負(fù)載平衡，遵循的是cell的順序，采用peano-Hibertspace-filling曲線大流場求解的結(jié)果應(yīng)用替代面元法固定尾跡組件相交結(jié)果與面網(wǎng)格質(zhì)量關(guān)系大不用預(yù)設(shè)尾跡自動(dòng)相交結(jié)果與三角化面網(wǎng)格依賴性小快速氣動(dòng)力數(shù)據(jù)庫生成Cart3D分析可以完全自動(dòng)化僅僅數(shù)小時(shí)就可以分析一條曲線出來矩陣化任務(wù)一個(gè)晚上飛行條件幾何航天飛機(jī)的襟翼角改變快速氣動(dòng)力數(shù)據(jù)庫生成獵戶座發(fā)射過程中攻角與高度對(duì)比音爆分析減少網(wǎng)格措施旋轉(zhuǎn)網(wǎng)格拉伸網(wǎng)格基于伴隨的加密網(wǎng)格動(dòng)力短倉模擬動(dòng)力短倉模擬氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)成功案例超音速客機(jī)設(shè)計(jì)自然層流機(jī)翼設(shè)計(jì)超音速進(jìn)氣道設(shè)計(jì)多點(diǎn)喉道設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)/機(jī)身干涉設(shè)計(jì)試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)