0 引言
随着当代航天飞行器的发展和对空间探索兴趣的日益增长，开发航天飞行器的高级多学科分析工具变得越来越重要。过去几十年用于预测气动力、结构和燃烧的方法和软件，得到了极速的发展。然而，理解和计算多学科之间的耦合和相互作用，仍须发展先进、高效以及能精确模拟各种物理现象的耦合算法。因此，用于分析评估航天飞行器的气动热伺服弹性和推进性能的集成系统，将发挥极为重要的作用。
本文工作的重大创新是发展了ADI.SimWcxrk软件，它能够应用在不同分析和设计阶段的可变保真度模拟的气弹系统中，进行流体、结构和控制场仿真的精确集成和耦合，极大地节省了航天飞行器的性能预测和设计时间。此外，该软件可用于从亚声速到高超声速的所有飞行范围，还可以在动静流体-结构相互作用环境下，通过使用强大的最新技术CFD/CSD耦合算法和粒子材料点方法(MPM)进行建模和数值仿真。
1 ADI.SimWork的集成软件结构
ADI.SimWork3.0包括计算流体力学、计算结构力学、流固耦合等子系统。其中计算流体力学(CFD)包括稳态、非稳态仿真分析;计算结构力学(CSD)包含粒子方法、有限元方法；流固耦合（FSI/AE/ASE)包括气弹，气动伺服弹性(ASE)等。软件主要功能包括：
(1)复杂流场模拟与气动力预测；
(2)复杂非定常流场高精度数值模拟；
(3)六自由度运动数值模拟；
(4)气动噪声数值模拟；
(5)发动机燃烧高精度数值模拟；
(6)内外流一体化数值模拟；
(7)高超声速飞行器化学反应数值模拟；
(8)飞行器流固耦合(静气弹/动气弹)数值模拟；
(9)复杂结构非线性数值模拟；
(10)爆炸穿透过程数值模拟；
(11)复合材料非线性快速数值模拟。
ADI.SimWork3.0还包括前处理和后处理模块。软件结构图如下：
图1 ADI.SimWork3.0结构图
ADI.SimWork3.0总体框架结构共分为三层，分别为支撑层、核心层以及应用层，其总体框架如图2所示。
图2 ADI.SimWork3.0总体框架结构
2 ADI.SIMWORK的功能模块
2.1 嵌套网格气动数值仿真模块
OverCFDLab软件适用于复杂外形与复杂流场的数值模拟仿真，支持自定义与6-D0F运动，具有强大的模拟旋转机械、多体分离、碰撞预测等多组件相对运动问题的能力。该软件与同类软件相比具有以下优势：
(1)采用了最新的计算迭代技术及多重网格技术，计算速度及并行效率远比同类软件高。
(2)采用的重叠网格能很方便的处理各种复杂的物理外形。
(3)采用了先进的DES、DDES等湍流模型及HLLC、WEN0等高阶数值格式，并且使用旋转修正、曲率修正及温度修正等，保证了计算的准确性，使用Koren、Minmod、vanAlbada以及光顺技术，保证了计算的稳定性。
(4)可以选用理想气体、变γ气体、多组分气体等气体模型，因而能够精确快速稳定的模拟其他市场上常见商业软件无法很好解决的跨声速以及10Ma以上高超音速问题。
2.2 噪音CAALab模块
当流体处于非定常运动时，压力等物理量会产生脉动，这种非定常的脉动会产生噪音，本模块采用RANS/LES混合方法，对湍流及其近场噪声源有很好的模拟。流体模块可以输出全场和测点（包括点、线、面）的平均及其脉动量。CAALab对于测点的物理量，采用多窗口数据频谱分析，使频谱分析更加准确。
2.3 燃烧CHCFDLab模块
燃烧化学反应仿真系统CHCFDLab是专门针对发动机燃烧数值模拟的仿真软件。它包含理想量热完全气体和混合热力学气体两种气体模型，采用的是多块、结构化网格、三维有限体积CFD求解器，可以模拟从亚声速到高超声速条件下有化学反应、燃烧和湍流的复杂流场。
2.4 气弹FSILab模块
FSILab是一款基于CFD技术的气动弹性力学仿真软件，支持多种网格类型，适合复杂外形的气动、静气弹以及动气弹耦合分析。软件包含高效的网格变形和插值算法，具备强大的网格修复功能，并支持用户指定运动的气动弹性耦合问题。
2.5 BLADESIGN模块
Bladesign是一款对梁(beam)进行力学分析的一款CAE专业软件。在采用复合材料的复杂梁结构的力学分析上有着其余商业软件无法比拟的高效率、易操作、高精度的优势。十分适合用于计算细长梁截面的结构特性和惯性特性。
Bladesign专门为复合材料梁设计定制了在通用的CAD环境下提供设计复合材料梁最好的方法，包括CAD建模、网格生成、有限元分析、材料库和多功能的后处理器。能够实现从几何建模、结构分析、仿真及结构优化、后处理等完整的设计分析功能，使设计人员能够轻松、高效地完成复合梁的分析与设计工作。
2.6 FEMLab模块
FEMLab模块是一款适用于结构分析的CAE软件，可以实现线性静态分析、动态响应分析和热分析等功能。
FEMLab模块包括0D、1D、2D、3D以及各种连接单元共40多种单元类型，载荷包括集中力、压强、重力等常用载荷，可以满足不同工程分析的需求。
2.7 MPM物质点法
物质点法是一种完全的拉格朗日质点类方法，在每步中质点和计算网格没有相对运动，避免了欧拉法因非线性对流项产生的数值困难，并且容易跟踪物质界面。在涉及大变形和材料破坏的问题中具有明显的优势。具体应用如下：
(1)裂纹是强不连续面，其萌生、扩展、分叉过程用网格类方法模拟时需要不断重分网格，而用物质点法在求解动态断裂则没有此类困难。
(2)高速碰撞问题涉及超大变形、断裂、破碎等强非线性现象。
2.8 ADl.SimWork工具与类似软件相比较的独特点
与已有CAE(如Fluent，CFX，Nastran，An_sys)软件相比，ADI.SimWork软件有以下几大优势：
(1)集成用户友好，内嵌多学科分析和设计所需的组件，所有模块均可单独或与其它模块耦合运行和购买。
(2)具有很强的求解非线性问题的能力，用于处理流体动力学（如激波高温气动）；结构动力学(如基于粒子方法处理裂纹）；流固非线性耦合以及气弹/气动伺弹性(AE/ASE)。
(3)CFD与CSD求解器直接嵌入FSI/AE和ASE模块中，无须借助第三方软件。
(4)采用粒子方法无须生成复杂模型或旋转机械的网格。
(5)具有很强计算燃烧及噪声的能力。
(6)独立的前处理和后处理，用于创建几何模型、生成粒子、高质量显示结构、非结构及粒子数据、快速生成动画的能力。
(7)全面及用户友好的材料库，用户可选择和自定义材料的类型和属性。
3 ADI.SIMWORK的应用
3.1 WPSF投弹算例
3.1.1 问题描述
该算例几何外形由机翼/挂架/带翼导弹组成。利用OverCFDLab对该算例进行数值模拟，结果表明该软件在多体分离、六自由度、动网格和网格自适应上的优势。
3.1.2 网格及计算结果
(1)计算条件
风洞模型为全尺寸模型的5%，这里给出全尺寸模型的计算参数：
在导弹投放初期，为了确保投放过程中母机安全，试验对导弹施加了两个弹射力抑制导弹的低头力矩，弹射力数据如下：
(2)计算模型
WPSF算例几何模型和嵌套网格如图3、4所示:近体网格数为4341506。
计算采用的湍流模型是S-A模型，数值格式为Roe上风格式，时间推进选择ARC3Ddiag，内迭代20步，每50步进行一次网格自适应。
(3)计算结果
由图5和图6可见:偏航角和侧滑角和实验结果非常接近，质心位置和实验结果基本一致，滚转角与实验值趋势基本一致。表明OverCFDLab可准确预测导弹投放过程。
3.2 直升机桨叶噪声计算3.2.1问题描述
利用OverCFDLab和CAALab计算了Caradon-na-Tung和UH-1旋翼的流场，并计算了UH-1旋翼的气动噪声，将计算结果和公开发表的实验结果进行了对比。
3.2.2 网格及流场计算
OverCFDLab计算采用的网格是自主研发的嵌套网格生成工具OversetGrid软件，网格生成过程如图7所示。
图7 Caradonna-Tung旋翼嵌套网格生成
计算揣流模型选用Spalart-Allmaras，该模型在翼型计算中具有较好的鲁棒性；空间格式选取2阶中心差分格式，时间推进采用ARC3DDiag，耗散项选择TLNS3DDiss，每步进行15次牛顿内迭代。计算步长采用0.25°。计算结果显示:该软件能够准确计算出旋翼翼尖及下洗流场中的漩涡，数值耗散小，如图8所示。
在旋翼流场计算中，最重要的一个参数是旋翼表面压力系数，通过压力系数的对比再一次验证了该软件的精确性。该实验数据由NASA公开文献中获得。
图10 x/c=0.96处压力系数对比（Caradonna&Tung旋翼）
在此基础上，按照相同的处理方式计算了UH-1旋翼的流场和噪声，流场计算方法和Caradon-na-Tung旋翼相同。对旋翼计算流场结果进行FW-H处理，得到UH-1旋翼的气动噪声，并和NASA公布的实验结果进行了对比。噪声计算误差均在2.5%以下，均不超过2dB，体现了流场和噪声的计算精度。
3.3 直连式超声速燃烧冲压喷气发动机SCHOLAR模型
3.3.1 问题描述
本算例所使用的几何模型为NASALangley研发中心的直连式超声速燃烧冲压喷气发动机。该模型是用来模拟马赫数7.0高超声速飞行条件下空气和氢气预混，再与氢气射流进行燃烧反应的过程。
图17 SCHOLAR几何模型
(审核编辑: 智汇小新)
