气动分析软件cart3d介绍

CART3D&GoCARTAutor：刘正宾Date：16/12/2014目录公司介绍Cart3D简介Cart3D理论应用附加模块总结DesktopAeronautics成立于1994年2012年被AerionCorporation收购目前12名员工，加州PaloAltoNASACart3D的发行商Cart3D背景NASAAmesResearchCenter联合CourantInstituteNYU研发的快速CFD分析工具笛卡尔欧拉求解器适应于任意复杂构型运行于命令行GoCart是对Cart3D执行程序的一个封装用户可以导入几何模型，构建笛卡尔网格，运行求解器，进行后处理（分钟级别的）典型应用飞行器概念设计火箭发射分析音爆预测发动机机身干扰和优化飞行预报飞船返回传统CFD方法结构网格多块结构网格（CFL3D）嵌套网格（CFD-FASTRAN）非结构网格四面体网格（FUN3D）混合网格（CFX、FLUENT）传统CFD方法优势：可以处理任意复杂几何体精度高（Naver-Stokes方程）缺点：网格生成繁琐，耗时不能适应概念设计阶段的大批量计算面对小的几何改变必须重新做缺乏自动化经验性太强耗费计算资源不适合优化级别的任务运行CART3D-笛卡尔欧拉求解器优势可以处理任意复杂几何体网格生成简单快速非常适合小的改型可以完全自动化对经验依赖小计算效率高适合优化缺点：精度损失（没有黏性计算）CART3D分析流程几何预处理生成网格运行求解器结果后处理几何预处理封闭的三角形面网格基于组件的方法每一个组件封闭的三角形网格转换三星形的格式文件转换结构网格将STEP文件试用astri三角化使用intersect构造浸湿三角化表面网格生成使用autoInputs生成网格输入文件默认的效果非常好允许对网格区域进行用户手动调整使用cubes生成网格使用mgPres生成多重网格用于求解加速整个过程分分钟求解器运行输入文件飞行条件（Mach，alpha）边界条件后处理输出求解器高级设置运行求解器（flowCart）OpenMP并行MPI并行实时监测收敛状况一般4-10分钟（根据机器性能，网格数目）IBL（黏性修正）Adaptationmesh（自适应网格技术）后处理输出文件三角化表面的结果文件空间流场切片CLiC分析力和力矩的积分基于组件的计算任意表面切片提取压力分布文件Tecplot文件表面结果文件空间流场可以输出给paraview等其他的第三方后处理显示工具理论自动组件相交三角形与三角形相交用相交线将三角形为位于此线的内部和外部尖角的问题程序处理起来有些问题（退化）三角形相交将使用八叉树算法进行劈分计算网格用户定义的初始网格自动生成的加密网格注意：远场的边界比建议的要近网格加密对加密的网格进行标记表面网格比体网格最小的网格要大面的曲率：θ或者φ超过指定的临界值（见下图）手动指定的区域进行加密两层之间的过渡（buffer区）在cubes程序中还有一些不经常用的穿过cell的最大角变量相邻网格之间最大角的变化网格生成挖去内部的网格使用“投射法”判断内部/外部网格内部/外部网格可以快速的互换几何表面的体网格对于延伸进体中的网格采用三角形进行切割称为：cutcells还有一些称为：splitcells所有的cutcells所有的splitcells多重网格V和W循环（推荐W）网格稀化的过程沿着路径向下（光顺前期预备）和视情况向上的路径（光顺后期处理）网格稀疏化在多重网格加速的过程中，网格的稀疏化自动进行（推荐3-6层）网格的稀疏化通过网格合并来进行当同族的网格在同一层内，那么网格只能进行稀疏化Peano-Hilbert顺序加速稀疏化算法（每一个网格稀疏化一次）壁面边界处理减掉延伸内部的体积为cutcells的体积通过剩余的体积计算cutcells的中心格点使用两种方法计算壁面边界的cutfaces：平板近似（默认）Subcell近似（-subcell）压力的计算采用当地的流场梯度从cutcells的中心格点到三角形还有一种算法就是将cutcell一个一个的进行三角化细分，找出我们需要的部分进行计算力的计算流场求解器flowCart标准的CFD求解器先进网格技术中心有限体积时间离散：5阶龙格库塔法CFL=1.2~1.4（推荐）CFL=1.0或者更小（跨音速推荐）空间离散：带通量限制器的2阶离散（MUSCL）VanLeer’s通量矢量分裂（迎风格式）五种通量限制器多重网格通量函数交接面通量函数计算可用的通量函数VanLeer’s通量矢量分裂（FVS）VanLeer’s-hanel通量矢量分裂ColellaHLLCVanLeer’sFVS鲁棒性和效率俱佳（推荐）通量函数的使用主要为了减少不连续坡度限制器FVM可以得到二阶精度限制器不需要引入新的数值震荡默认VanLeer，Minmod鲁棒性最好（但是更多的耗散）没有限制器（会产生震荡）Barth-Jespersen（没有光顺，引入耗散最小）VanLeer（光顺）Sinlimiter（光顺）VanAlbada（光顺）Minmod（没有光顺）坡度限制器（续）坡度限制器对比例子Barth-Jespersen（红）VSVanAlbada（绿）限制器并行网格的分区为了负载平衡，遵循的是cell的顺序，采用peano-Hibertspace-filling曲线大流场求解的结果应用替代面元法固定尾迹组件相交结果与面网格质量关系大不用预设尾迹自动相交结果与三角化面网格依赖性小快速气动力数据库生成Cart3D分析可以完全自动化仅仅数小时就可以分析一条曲线出来矩阵化任务一个晚上飞行条件几何航天飞机的襟翼角改变快速气动力数据库生成猎户座发射过程中攻角与高度对比音爆分析减少网格措施旋转网格拉伸网格基于伴随的加密网格动力短仓模拟动力短仓模拟气动优化设计成功案例超音速客机设计自然层流机翼设计超音速进气道设计多点喉道设计发动机/机身干涉设计试验机设计