气动仿真软件(OverCFDLab)

气动仿真软件OverCFDLab是一款针对多体相对运动的气动仿真软件。支持多块、结构化重叠网格求解N-S方程，用于全声速域条件下气动运动耦合的复杂流场仿真和轨迹预测。

图 1  气动仿真软件 

一、功能特点

 1. 理想气体/多组分气体/变gamma气体，不可压/可压缩N-S流体方程求解，可精确预测亚、跨、超、高超音速范围内（0.01<Ma<10）的复杂流场（分离流、激波边界层干扰）特性。

 2. 六自由度（6-DOF）方程耦合N-S流体方程求解，可精确预测多体分离运动轨迹。

 3. 采用最小安全距离方法自动识别运动边界，可进行碰撞预测仿真。

 4. 多种RANS/LES混合分离涡湍流模型，为气动噪声（CAA）预测提供精确的流场数据。

 5. 专用旋翼飞行器旋转/挥舞/摆振/变距多级运动耦合模型，可精确预测旋翼飞行器旋翼/机身/尾桨/地面/舰船全机气动干扰。

二、特色优势

 1.  分块划分、多人协同，网格组装， 复杂构型网格生成，效率更高；

 2.  结构化网格，高阶(4\6阶中心差分、5阶WENO)精度格式，计算精度更好；

 3.  多级背景网格自适应算法，流场特征（涡量、激波）捕捉更细；

 4.  粗、细粒度（MPI+OpenMP）混合并行，计算效率更快；

 5.  近体网格与远场网格自动解耦，负载均衡能力更强。

三、精度验证

        WPSF六自由度运动投弹仿真

a. 计算模型

来流马赫数Ma=0.95

采用2阶Roe 迎风格式计算1000步，内迭代20步。每50步进行一次网格自适应。采用4线程计算1380步，共计耗时56小时。

图 2 WPSF几何与网格模型

b. 计算结果

图 3 某时刻物面压力云图

图 4 不同时刻导弹轨迹

图 5 不同时刻导弹质心与角速度计算结果与试验结果对比

四、典型案例

  固定翼飞行器气动性能计算——对于跨声速飞行器，机翼表面会呈现诸如局部超音速流动，激波，边界层分离等复杂流动状态；对于超声速飞行器，机翼表面存在的激波对机翼的设计有着极大的影响，利用分块重叠网格的优势，在飞行器优化设计阶段，可以单独生成优化部件网格，组装形成全机网格，实现气动性能快速评估。

图 6 DLR-11飞行器计算网格

图 7 不同攻角下机翼截面速度分布云图

图 8 不同截面位置压力系数分布

 旋翼飞行器全机气动干扰仿真——旋翼流场涉及复杂的涡动力学、非定常干扰、旋翼与机身部件的复杂气动干扰问题，精确的旋翼尾迹涡捕捉是CFD数值模拟的难题，软件采用高阶精度格式、DDES分离涡湍流模型，结合多级背景网格自适应可以实现尾迹涡的精细化捕捉。

图 9 常规构型直升机悬停旋翼机身气动干扰 

 图 10 常规构型直升机前飞带吊挂旋翼机身气动干扰

图 11 共轴双旋翼直升机悬停旋翼机身气动干扰

图 12 四旋翼飞行器悬停状态旋翼机身气动干扰 

图 13 常规构型直升机前飞旋翼/机身/尾桨气动干扰仿真

  超音速穿甲弹气动脱壳仿真——某超音速弹气动脱壳连续过程仿真，主要模拟气动脱壳过程中，弹托与弹芯在气流干扰作用下，超音速弹的流场分布特性，弹托气动参数随时间变化规律以及弹托运动姿态分析。采用嵌套网格技术，解决弹托和弹芯间无缝隙结构建模技术难题，采用真实的非定常运动求解方法，确保仿真过程的物理真实性。

图 14 超音速穿甲弹几何和网格模型 

图 15 不同时刻脱壳过程 

  舰面流场仿真——舰船甲板是舰载机海上作业的主要场地，现代作战舰艇装备复杂，空气在流过岛式上层建筑时，常伴随有分离、回流、旋涡等运动形式的发生，流场结构复杂、随机性强，将引起舰载机在陆地起降操纵时未遇到过的特殊操纵性问题。用结构化嵌套网格CFD方法开展舰船流场数值模拟，实现舰载机起降区域流场精确预报，提高舰载机起降安全裕度，为现役舰载机起降、新研舰载机设计提供技术支持。

图 16 舰面流场流线分布

图 17 舰面流场马赫数云图

图 18 舰面流场涡量图

五、行业客户

  航天：北京机电工程研究所

  航空：航空工业空空导弹研究院、航空工业直升机设计研究所

  院校：南京航空航天大学航空学院