氣動分析軟件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Cart3D執(zhí)行程序的一個封裝用戶可以導(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（分鐘級別的）典型應(yīng)用飛行器概念設(shè)計火箭發(fā)射分析音爆預(yù)測發(fā)動機(jī)機(jī)身干擾和優(yōu)化飛行預(yù)報飛船返回傳統(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：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，耗時不能適應(yīng)概念設(shè)計階段的大批量計算面對小的幾何改變必須重新做缺乏自動化經(jīng)驗(yàn)性太強(qiáng)耗費(fèi)計算資源不適合優(yōu)化級別的任務(wù)運(yùn)行CART3D-笛卡爾歐拉求解器優(yōu)勢可以處理任意復(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化對經(jīng)驗(yàn)依賴小計算效率高適合優(yōu)化缺點(diǎn)：精度損失（沒有黏性計算）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網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行用戶手動調(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設(shè)置運(yùn)行求解器（flowCart）OpenMP并行MPI并行實(shí)時監(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)行劈分計算網(wǎng)格用戶定義的初始網(wǎng)格自動生成的加密網(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算cutcells的中心格點(diǎn)使用兩種方法計算壁面邊界的cutfaces：平板近似（默認(rèn)）Subcell近似（-subcell）壓力的計算采用當(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一個一個的進(jìn)行三角化細(xì)分，找出我們需要的部分進(jìn)行計算力的計算流場求解器flowCart標(biāo)準(zhǔn)的CFD求解器先進(jìn)網(wǎng)格技術(shù)中心有限體積時間離散：5階龍格庫塔法CFL=1.2~1.4（推薦）CFL=1.0或者更?。缫羲偻扑]）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（會產(chǎn)生震蕩）Barth-Jespersen（沒有光順，引入耗散最?。￢anLeer（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)尾跡自動相交結(jié)果與三角化面網(wǎng)格依賴性小快速氣動力數(shù)據(jù)庫生成Cart3D分析可以完全自動化僅僅數(shù)小時就可以分析一條曲線出來矩陣化任務(wù)一個晚上飛行條件幾何航天飛機(jī)的襟翼角改變快速氣動力數(shù)據(jù)庫生成獵戶座發(fā)射過程中攻角與高度對比音爆分析減少網(wǎng)格措施旋轉(zhuǎn)網(wǎng)格拉伸網(wǎng)格基于伴隨的加密網(wǎng)格動力短倉模擬動力短倉模擬氣動優(yōu)化設(shè)計成功案例超音速客機(jī)設(shè)計自然層流機(jī)翼設(shè)計超音速進(jìn)氣道設(shè)計多點(diǎn)喉道設(shè)計發(fā)動機(jī)/機(jī)身干涉設(shè)計試驗(yàn)機(jī)設(shè)計