CFD-FASTRAN简介

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CFD-FASTRAN简介简介CFD-FASTRAN是CFDRC公司专门为航空航天应用所设计的可压缩流动的解算器。CFD-FASTRAN是当前所有为航空航天设计的计算流软件中位于前列的软件。它采用了多种动网格技术，可以模拟绝大多数复杂的航空航天中涉及的各种问题，比如导弹发射、机动和一级脱离，飞行器飞行动力学及所载各种弹体的分离过程研究。CFD-FASTRAN 具有挑战性的功能是将基于密度的可压缩欧拉方程和N-S方程同多体运动动力学、有限反应率化学和非平衡传热学耦合起来，解决一系列极为复杂的航空问题。
应用举例下面列举一些例子，这些例子多数是本公司多年同美国**的合作项目。
1．
安全分离和精确的发射所载弹体问题是空军关注的一个重要问题。在现代飞机的高速流场中，很难确保发射时候弹体不与机体发生碰撞，也很难控制弹体与机体平稳分离以确保弹道的准确。图1、2 是F-16投弹的动态模拟，因为火箭弹离副油箱很近，为了防止投弹过程中弹体与副油箱发生碰撞，美国空军同本公司进行了合作。图3是位美国海军模拟的F-18发射导弹的过程，在附件（F-18_JDAM）中给出了发射过程的动态图像。






图1
图2
Multiple Bomb Rack Separation




图3
JDAM Separation from F/A-18
2．
旋翼飞机空气动力学。因为旋翼的存在，使直升机周围的流场极为复杂。旋翼的旋转协同机体本身的运动使直升机周围产生高度不稳定的湍流。直升机在向前飞行过程中，在旋翼前缘的流动会达到跨音速或者轻微的超音速，而后缘基本上保持亚音速。因为前后缘的流动速度差别巨大，所以在旋翼旋转过程中，经历了复杂的过程产生下洗气流对机身产生下洗。当旋翼的迎角不断增加，因为对机身产生下洗增大，会出现动力失速现象。而且，在旋翼尾缘会出现发夹涡，发夹涡对后继的旋翼会产生干扰。上述所有的复杂的流动机理使模拟直升机的整机流场成为一个挑战。直升机的推力系数，力矩系数和功率系数的选择在设计直升机过程中极为重要。使用风洞实验对这些系数进行选择、评估会极为费时并且费用昂贵。然而CFD-FASTRAM可以快速、节俭、可靠的对各种工控进行模拟，为直升机设计提供了强大的支持。图4是模拟的结果，而在附件（ROBIN）中给出了旋翼旋转过程中的动态图像。





图4
3． 当飞行器以高超音速穿过大气层，在飞行器激波后及边界层会产生极高的温度。因为温度的升高，在高温区域会发生不同的化学反应，导致该区域空气物性参数的改变，进而影响了飞行器的升力、阻力和表面温度。CFD-FASTRAN可以对这类问题进行精确的模拟，图5～11 给出了为军方模拟的部分结果。附近(X-34_sep)给出了X-34动态的模拟图像。






图5
图6
Reusable Launch Vehicle (RLV) Simulations





图7
图8
Analysis of X-43A Separation







图9
图10
Mars Probe Aerodynamic Analysis
Aerothermal Loads Analysis of Lauched Sattelite










图11
Hypersonic Reacting Flow Over a Sphere
3．
飞行员逃生系统分析设计。飞行员逃生弹射系统的设计是飞行器设计中的重要部分，主要存在两个问题，其一是空气动力稳定性，其二是飞行员弹射过程中的潜在伤害水平。CFDRC公司在美国海军和SBIR计划的支持下，在逃生系统分析设计领域已经处于最前沿。为了开发全面的弹射系统的CFD软件，CFDRC工程师对美国海军各种主要弹射装置进行了详细的分析研究。终于开发出集弹射椅、弹射轨迹、风吹保护、稳定装置、头颈伤害评估等方面的全面、可靠、准确的相应CFD模块。图12～18给出仅给出部分模拟图。附件（jettison1）中给出了驾驶舱盖脱离机体的动态模拟过程。












图12
Martin Baker MK-16 Ejection Seat and 98 Percentile Occupant





图13
图14
Flow Deflector
Stagnation Brim
（Windblast Protection）

   

图15
图16
Analysis of Helmet-Mounted Display and Goggles









图17
Controllable Propulsion Applications




图18
Canopy Separation Dynamics
4．
导弹的发射、分级脱离和机动。导弹几何形状复杂，飞行物理过程复杂，还有多个物体间的相对运动，使导弹的发射、分级脱离和机动给CFD提出了具有挑战性的课题。CFDRC公司为相应问题设计了先进的计算模块，广泛应用于导弹设计开发领域中。图19～23给出了少量的模拟结果。附件（Canard_Cover、canard_maneuver、tubelaunch）给出了控制面分离及控制面偏转控制导弹姿态及弹道从发射管发射过程的动态模拟结果。

  

图19

图20
图21
Divert Attitude Control System Analysis






图22
Canard Cover Separation Analysis






图23
图24
Canard Controlled Missile Maneuvering
Missile Tube Launch
5.
飞机抖振干扰、气动弹性研究。CFDRC公司最近开发出一套基于CFD-FASTRAN软件的飞机抖振干扰、气动弹性研究系统，可以对飞行器飞行过程中遇到的各种抖振、气弹问题进行精确的模拟并加以解决。本系统在F-16整机气弹分析、F-18尾翼抖振研究过程中发挥了巨大的作用。图25～28给出部分模拟结果。






图25

F16 Wing-Body Aeroelastic Analysis





图26



图27
Prediction of FA/18 Tail Buffeting





图28
AGARD Wing Flutter

软件背景:www.caeda.com.cn

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