高端裝備制造業(yè)航空航天飛行器的氣動熱伺服彈性推進(jìn)系統(tǒng)仿真平臺(一)
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0 引言
隨著當(dāng)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(xué)科分析工具變得越來越重要。過去幾十年用于預(yù)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(jì)算多學(xué)科之間的耦合和相互作用,仍須發(fā)展先進(jìn)、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(jìn)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(jì)階段的可變保真度模擬的氣彈系統(tǒng)中,進(jìn)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(yù)測和設(shè)計(jì)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(qiáng)大的最新技術(shù)CFD/CSD耦合算法和粒子材料點(diǎn)方法(MPM)進(jìn)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(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)、流固耦合等子系統(tǒng)。其中計(jì)算流體力學(xué)(CFD)包括穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)仿真分析;計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)(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(fù)雜流場模擬與氣動力預(yù)測;
(2)復(fù)雜非定常流場高精度數(shù)值模擬;
(3)六自由度運(yùn)動數(shù)值模擬;
(4)氣動噪聲數(shù)值模擬;
(5)發(fā)動機(jī)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(xué)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(fù)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(fù)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(fù)雜外形與復(fù)雜流場的數(shù)值模擬仿真,支持自定義與6-D0F運(yùn)動,具有強(qiáng)大的模擬旋轉(zhuǎn)機(jī)械、多體分離、碰撞預(yù)測等多組件相對運(yùn)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(jì)算迭代技術(shù)及多重網(wǎng)格技術(shù),計(jì)算速度及并行效率遠(yuǎn)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(fù)雜的物理外形。
(3)采用了先進(jìn)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(jì)算的準(zhǔn)確性,使用Koren、Minmod、vanAlbada以及光順技術(shù),保證了計(jì)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(dāng)流體處于非定常運(yùn)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(diǎn)(包括點(diǎn)、線、面)的平均及其脈動量。CAALab對于測點(diǎn)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(zhǔn)確。
2.3 燃燒CHCFDLab模塊
燃燒化學(xué)反應(yīng)仿真系統(tǒng)CHCFDLab是專門針對發(fā)動機(jī)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(xué)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(xué)反應(yīng)、燃燒和湍流的復(fù)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(xué)仿真軟件,支持多種網(wǎng)格類型,適合復(fù)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(qiáng)大的網(wǎng)格修復(fù)功能,并支持用戶指定運(yùn)動的氣動彈性耦合問題。
2.5 BLADESIGN模塊
Bladesign是一款對梁(beam)進(jìn)行力學(xué)分析的一款CAE專業(yè)軟件。在采用復(fù)合材料的復(fù)雜梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)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(jì)算細(xì)長梁截面的結(jié)構(gòu)特性和慣性特性。
Bladesign專門為復(fù)合材料梁設(shè)計(jì)定制了在通用的CAD環(huán)境下提供設(shè)計(jì)復(fù)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(jì)分析功能,使設(shè)計(jì)人員能夠輕松、高效地完成復(fù)合梁的分析與設(shè)計(jì)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(shí)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(qiáng)、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(diǎn)法
物質(zhì)點(diǎn)法是一種完全的拉格朗日質(zhì)點(diǎn)類方法,在每步中質(zhì)點(diǎn)和計(jì)算網(wǎng)格沒有相對運(yùn)動,避免了歐拉法因非線性對流項(xiàng)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(qiáng)不連續(xù)面,其萌生、擴(kuò)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(diǎn)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(qiáng)非線性現(xiàn)象。
2.8 ADl.SimWork工具與類似軟件相比較的獨(dú)特點(diǎn)
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(xué)科分析和設(shè)計(jì)所需的組件,所有模塊均可單獨(dú)或與其它模塊耦合運(yùn)行和購買。
(2)具有很強(qiáng)的求解非線性問題的能力,用于處理流體動力學(xué)(如激波高溫氣動);結(jié)構(gòu)動力學(xué)(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(fù)雜模型或旋轉(zhuǎn)機(jī)械的網(wǎng)格。
(5)具有很強(qiáng)計(jì)算燃燒及噪聲的能力。
(6)獨(dú)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(jī)翼/掛架/帶翼導(dǎo)彈組成。利用OverCFDLab對該算例進(jìn)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(jì)算結(jié)果
(1)計(jì)算條件
風(fēng)洞模型為全尺寸模型的5%,這里給出全尺寸模型的計(jì)算參數(shù):
在導(dǎo)彈投放初期,為了確保投放過程中母機(jī)安全,試驗(yàn)對導(dǎo)彈施加了兩個彈射力抑制導(dǎo)彈的低頭力矩,彈射力數(shù)據(jù)如下:
(2)計(jì)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(jì)算采用的湍流模型是S-A模型,數(shù)值格式為Roe上風(fēng)格式,時間推進(jìn)選擇ARC3Ddiag,內(nèi)迭代20步,每50步進(jìn)行一次網(wǎng)格自適應(yīng)。
(3)計(jì)算結(jié)果
由圖5和圖6可見:偏航角和側(cè)滑角和實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近,質(zhì)心位置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,滾轉(zhuǎn)角與實(shí)驗(yàn)值趨勢基本一致。表明OverCFDLab可準(zhǔn)確預(yù)測導(dǎo)彈投放過程。
3.2 直升機(jī)槳葉噪聲計(jì)算3.2.1問題描述
利用OverCFDLab和CAALab計(jì)算了Caradon-na-Tung和UH-1旋翼的流場,并計(jì)算了UH-1旋翼的氣動噪聲,將計(jì)算結(jié)果和公開發(fā)表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。
3.2.2 網(wǎng)格及流場計(jì)算
OverCFDLab計(jì)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(jì)算揣流模型選用Spalart-Allmaras,該模型在翼型計(jì)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(jìn)采用ARC3DDiag,耗散項(xiàng)選擇TLNS3DDiss,每步進(jìn)行15次牛頓內(nèi)迭代。計(jì)算步長采用0.25°。計(jì)算結(jié)果顯示:該軟件能夠準(zhǔn)確計(jì)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(jì)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(yàn)證了該軟件的精確性。該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由NASA公開文獻(xiàn)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(jì)算了UH-1旋翼的流場和噪聲,流場計(jì)算方法和Caradon-na-Tung旋翼相同。對旋翼計(jì)算流場結(jié)果進(jìn)行FW-H處理,得到UH-1旋翼的氣動噪聲,并和NASA公布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。噪聲計(jì)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(jì)算精度。
3.3 直連式超聲速燃燒沖壓噴氣發(fā)動機(jī)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(jī)。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(yù)混,再與氫氣射流進(jìn)行燃燒反應(yīng)的過程。
圖17 SCHOLAR幾何模型
(審核編輯: 智匯小新)
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