CFD-FASTRAN

CFD-FASTRAN是應用在空氣動力學和氣體熱力學領域的先進商業CFD軟體,它特別適合在航空、航太、兵器、船舶工業中應用。CFD-FASTRAN採用先進的多體動力學模型類比複雜的航空、航太工業問題,包括發射、機動和級間分離,飛行器飛行動力學和外掛物投放。這些複雜應用通過耦合基於密度的可壓縮Euler方程、Navier-Stokes方程和多體動力學模組、通用有限速率化學反應模組和熱非平衡模組實現。CFD-FASTRAN採用最新的數值和物理模型,先進的前處理和後處理模組,支援所有的網格技術,包括多塊結構化網格、通常的多面體非結構化網格、嵌套/重疊網格和自我調整笛卡兒網格。支援大多數常用的資料格式。而且,CFD-FASTRAN支援所有的軟/硬體環境。在高性能工作站和PC機群上可以進行平行計算。

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CFD-FASTRAN 簡介(英文)

特點和規格

CFD-FASTRAN是基於密度的可壓縮流動有限體積法求解器。求解器採用高階數值格式和先進物理模型為複雜的工業流動問題提供了有效和精確的解決方法。求解器包括下列特徵:

網格類型 

  • 多塊結構化網格
  • 重疊結構化網格
  • 通用的非結構網格(單元類型的任意組合,包括六面體、四面體、笛卡爾、棱柱和多面體)

問題類型

  • 歐拉方程、層流和湍流求解器
  • 2D, 軸對稱和3D 
  • 定常和非定常
  • 亞音速、跨音速、超音速和高超音速流動

數值方法

  • 基於密度的有限體積法
  • Roe格式和Van-Leer迎風通量分裂格式
  • 採用MUSCL方法、Min-Mod、Osher-Chakravarthy和Van Leer通量限制器將格式擴展到二階和三階精度
  • 顯式多步龍格庫塔法、點隱式和全隱式時間積分格式

湍流模型

  • 高雷諾數k-ε湍流模型(包括壁面函數)
  • 低雷諾數k-ω湍流模型*
  • Balwin-Lomax湍流模型
  • Spalart-Allmaras湍流模型*
  • Menter剪切應力輸運湍流模型(SST模型)*

  (* 這些模型僅適用於結構化網格)


化學模型

  • 對於任意組分和化學反應,採用通用的有限速率化學反應
  • 多重能量模型,包括熱平衡和兩溫度熱非平衡模型
  • 兩個熱力學資料庫,包括從300K到6000K的曲線擬合資料庫和分子資料庫
  • 表面化學反應模型,考慮完全接觸反應、或者附著係數選項

移動體功能

  • 自動嵌套演算法處理網格系統之間的相對運動
  • 空氣動力學模型耦合6自由度(6-DOF)剛體動力模組,支援常規約束以及模型間的從屬關係
  • 指定運動模型
  • 推力和點火模組用於指定時間相關的邊界條件

輸出 & 後處理

  • 可以在用戶指定的坐標系、體軸系、或者慣性坐標系下,給出有量綱、或者無量綱的力、力矩、以及速度、加速度和物體位置和方向角。
  • 全場求解變數,包括速度、壓力、溫度、密度和馬赫數。如果指定,也可以將其他的變數,如湍流量和組分濃度輸出。
  • 物體運動歷程,包括線位移和角位移、線速度和角速度、線加速度和角加速度。
  • Plot3d和DTF格式輸出

輸入& 問題設定

  • 通過直觀、易用的圖形介面設定
  • 支援PEGASUS孔切割和嵌套輸入
  • 集成了MDICE,提供了與其它的CAD和CFD套裝軟體的介面

 

飛機空氣動力學

近十年來,隨著CFD技術的發展和電腦運算速度和記憶體的增加,使得全機氣動力的模擬成為可能。在指定的飛行條件下,進行全機氣動力分析的能力,將大大縮短飛機的研發週期和減少經濟投入。
ESI集團提供計算整架飛機的軟體和工程服務,包括固定翼飛機、旋翼飛機、民用運輸機和商用噴氣飛機。ESI Group的高速流動求解器——CFD-FASTRAN,給出了在定常和非定常情況下,基於歐拉方程和N-S方程的精確求解方法。支援所有網格拓撲結構(包括結構和非結構網格),高階格式和多種湍流模型,使得CFD-FASTRAN能夠準確和有效計算全機的複雜流動。
CFD-FASTRAN支援非結構網格,多塊非結構網格,或嵌套結構化網格。軟體的輸出使分析者能夠方便的獲得所需的資訊。可以在整機或者單個部件上進行氣動力積分。氣動力可以以有量綱和無量綱形式輸出。在網格系統內,可以指定網格點進行流動變數的監控,可分別給出剪切力和壓力資料。求解器的輸入和輸出的設定通過易用的圖形介面給定。

商用噴氣飛機分析
CFD-FASTRAN流動求解器可計算民用運輸機和商用噴氣機流場。靈活的網格體系:結構化網格、嵌套網格和非結構化網格,多個湍流模型及高階格式,使得FASTRAN軟體成為噴氣機設計的強有力工具。
ESI Group工程師也進行飛機空氣動力學分析和設計中的諮詢服務。結果顯示的是對一個新型噴氣飛機機翼優化設計和進氣道佈置設計的例子。

旋翼飛機的空氣動力學
直升機旋翼的流場計算對流體計算工具來說具有很多挑戰性。幾個流動現象包括湍流、漿葉失速、旋轉渦,前進槳和後退槳的不對稱速度,都使得旋翼飛機流場難以計算。
ESI Group 開發了旋翼飛機流場計算的幾項技術。這些技術集成到CFD-FASTRAN 求解器中,提供了強大的模擬旋翼飛機氣動力工具。嵌套/重疊網格方法用來模擬運動槳葉。運動模型的依賴關係用來類比複雜的旋翼運動,如前進,後退和拍打。高階格式和多個湍流模型可以類比高度粘性現象,如翼梢渦生成。

垂直起降短距飛機X-35B的空氣動力學分析
在地面的影響下,垂直起降短距飛機會產生很複雜的流動。高溫和低溫氣體在地面碰橦,以很複雜的形式傳播和混合。

進氣道空氣動力學
這是一個在初步設計階段用CFD進行分析的一個例子。CFD-FASTRAN耦合了內流和外流已確定在進氣口處擾流板的有效性,飛機發動機壓氣機進氣口流動的均勻性。不需要進行風洞實驗即可獲得入口處流動的詳細資訊。通過使用計算獲得的資料,改變入口的幾何形狀,提供入口處流動的均勻性。

機翼俯仰分析
這個運動中機翼例子證實了CFD-FASTRAN 運動體的計算功能。在這個例子中,襟翼相對於機翼的運動通過指定運動規律模組給出。通過流場分析計算出氣動載荷,採用剛體運動6-DOF模組確定整個機翼-襟翼系統的運動。該例子的求解過程很容易應用到更複雜幾何模型,能對飛機機動或者控制面運動進行模擬。

 

顫振,抖動和飛行控制

ESI Group最近研發和驗證了集成性好,易於使用,高逼真性的多學科工具,用作飛行器的氣動彈性和伺服氣彈分析。
該多學科工具結合了流體的CFD-FASTRAN進行流動動力學分析 ,FEMSTRESS進行結構動力學分析,流固耦合具有一致的交界面,採用網格插值演算法處理由於結構彈性導致的網格運動。
該分析模組集成在多學科計算環境(MDICE)中。MDICE是分散式的、物件導向的,支援平行計算多學科模組。MDICE允許使用已經得到了驗證的、先進的分析程式。

AGARD機翼顫振
機翼顫振是由於流固耦合作用,結構的不同的模態之間的能量轉換所引起的。顫振是機翼平面逐漸振盪,產生大的振幅和應力,最終導致結構破壞。
MDICE環境與CFD-FASTRAN求解器耦合,廣泛地用於機翼顫振分析。基於機翼模態的求解模組、或者FEMSTRESS模組可用作結構求解器。

 

逃生系統

飛行員逃生系統是飛機的整體設計中的重要一環。該系統主要關心氣動的穩定性和對飛行員可能傷害的水準。

逃生系統穩定性裝置的數值分析
美國空軍,海軍以及彈射椅廠家一直在研究新概念和裝置,以使在高速流狀態下彈射椅和飛行員保持穩定。
CFD在早期研發起到了重要的作用,給下一步的設計提供了選擇。由CFD計算得到的資料包括氣動力和力矩,以評估有無穩定裝置時座椅的穩定性和控制力。表面壓力用來評估突風載荷和可能的人員傷害。除此以外,近場流場類比可以確定穩定裝置對於座椅上安裝的感測器的影響,例如,流速管(皮託管)。

 

氣體熱力學分析

飛行器以超高音速飛過大氣層時,會與周圍的空氣產生摩擦,在激波後與邊界層區域產生極高溫度,在高溫區域發生各種化學反應。這些化學反應又影響空氣的熱動力學特性和輸運特性,比如升力、阻力和飛行器的表面溫度。因此,必須精確、有效求解氣動熱化學方程,以便預測粘性的、帶化學反應的流動和預測飛行器所受的氣動載荷和熱載荷。
CFD-FASTRAN軟體採用完全耦合的任意組分的有限速率化學反應,例如熱不平衡模型。它用來處理熱完全氣體模型流動、或熱化學不平衡氣體模型流動。軟體中考慮了熱平衡、或者兩溫度熱不平衡。

CFD-FASTRAN模組

CFD-FASTRAN求解器採用先進的數值格式和物理模型,為航空和航太工業領域空氣動力學和氣體熱力學應用提供了有效和精確的解決方法。

CFD-FASTRAN求解器包括下列模組:

  • 流體動力學模組
  • 湍流模型模組
  • 熱化學模組
  • 自動嵌套網格模組
  • 剛體動力學模組(6-DOF)
  • 指定運動模組
  • 推理和點火模組
  • 力和力矩模組
  • 流固耦合模組(FSI)

 

CFD-FASTRAN 流體動力學模組

CFD-FASTRAN採用基於密度的有限體積法和高階差分格式求解Navier-Stokes方程,精確預測亞音速、跨音速、超音速和高超音速流動。求解器特點: ●定常和非定常計算 ●空間格式為Roe格式 & Van-Leer迎風通量分裂格式 ●採用MUSCL方法、Min-Mod、Osher-Chakravarthy和Van Leer通量限制器將格式擴展到二階和三階精度 ●時間積分格式採用顯式多步龍格庫塔法、點隱式格式和全隱式格式 ●支援多塊結構化網格,通用非結構網格(任意單元類型)和嵌套/重疊網格。

CFD-FASTRAN 湍流模型模組

CFD-FASTRAN採用先進的湍流模型類比邊界層和分離區內湍流的影響。主要包括下列湍流模型: ●高雷諾數k-ε湍流模型(考慮壁面方程) ●低雷諾數k-ω湍流模型 ●Balwin-Lomax 湍流模型 ●Spalart-Allmaras湍流模型 ●Menter Shear Stress Transport (SST) 湍流模型。 模型僅適用於結構化網格。

CFD-FASTRAN 熱化學模組

CFD-FASTRAN使用先進的有限速率的化學反應和熱力學非平衡方程。該模組具有如下顯著特徵: ●兩個熱力學資料庫,包括從300K到6000K的曲線擬合資料庫和熱非平衡的光譜資料庫 ●採用常用的有限速率反應處理任意組分和化學反應 ●多重能量模型,包括熱平衡和兩溫度熱非平衡模型 ●表面化學反應模型,考慮完全接觸反應、或者附著係數選項。 CFD-FASTRAN熱化學模組已得到驗證,廣泛地用於複雜工程流動問題,包括高速導彈,進入式飛行器,及可重複發射飛行器應用(太空梭)。

CFD-FASTRAN 自動嵌套網格模組

CFD-FASTRAN採用嵌套網格模組處理孔切割和多塊網格系統中塊的資料交換。模組顯著特點: ●分離的多塊網格組成 ●通過圖形介面輸入參數,求解器自動執行孔切割 ●允許用戶設置資料交換層確定孔的尺寸 ●允許使用者設置用於計算範本係數的邊緣點的數目 ●接受 PEGASUS孔切割數據。 CFD-FASTRAN自動嵌套模組在大量的應用中得到驗證,包括外掛物分離,飛行員救生系統,導彈級間分離,發射和機動。

CFD-FASTRAN 剛體動力學模組(6-DOF)

CFD-FASTRAN採用六自由度(6-DOF)模組求解剛體運動。六自由度模組(6-DOF)與N-S流動求解器耦合進行相對運動物體間的氣動力分析。6-DOF模組的顯著特點如下: ●基於Etkins 原理的剛體運動方程 ●與流動求解器完全耦合 ●允許用戶指定與時間、或者距離相關的點力,用五階多項式或函數表示 ●允許使用者指定約束和模型的相關性 ●允許使用者指定模型的先後順序 ●對於多重區域和表面地廣義推力積分。

CFD-FASTRAN 指定運動模組

CFD-FASTRAN採用指定運動模型能力類比已知或指定的運動。模組與N-S方程流動求解器耦合進行物體相對運動時的氣動力特性分析 ●與流動求解器完全耦合 ●通過五階多項式、正弦和余弦多項式,或者時間函數指定位移,速度或者加速度的變化 ●可在慣性坐標系或者體坐標系上定義運動模型 ●運動模型可以具有相互關聯和先後次序 ●通過圖形介面定義輸入和輸出。 襟翼的運動通過正弦函數來定義。襟翼和機翼的相對運動由6-DOF Module確定。

CFD-FASTRAN 推力和點火模組

CFD-FASTRAN 採用推力和點火模組來定義推進系統時間相關的邊界條件(例如火箭噴嘴).推力和點火模組主要包括下列顯著特點: ●與時間相關的溫度,壓力和速度邊界條件可從使用者提供的檔中讀取 ●在應用力和力矩,剛體動力學6-DOF 模組中,自動計算推力 ●多個模組可同時使用或順序使用 ●通過圖形介面進行模組定義。

CFD-FASTRAN 力和力矩模組

CFD-FASTRAN用靈活的和易用的模組處理力和力矩資料的輸出。力和力矩模組包括下列顯著特徵: ●使用者可以選擇計算整個模型或者部分模型的力和力矩 ●可在慣性坐標系、體坐標系、或者用戶定義的坐標系內計算力和力矩 ●根據使用者提供的資料,進行有量綱輸出和無量綱輸出。

CFD-FASTRAN 流固耦合模組

CFD-FASTRAN 給出了流固耦合(FSI)問題的解決方案,尤其是氣動彈性問題。流固耦合模組包括如下特點: ●採用N-S方程進行流動求解 ●結構動力學用三維有限元方法進行分析 ●結構控制的實現採用壓電激勵的有限元分析方法 ●流體和結構動力學介面始終一致 ●採用無限插值演算法類比由於結構彈性導致網格變形 ●通過MDICE 實現各個分析模組之間的資料交換同步 ●通過圖形介面進行模組定義。