氣動(dòng)設(shè)計(jì)平臺集成技術(shù)開發(fā)研究＊

袁先士，高 超，南 江，白 文，楊 永，禹彩輝

（1西北工業(yè)大學(xué)翼型葉柵空氣動(dòng)力學(xué)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072；2中國航空研究院，北京 100012；3中國航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710068）

0 引言

火箭設(shè)計(jì)由于其特殊的設(shè)計(jì)要求，需要綜合運(yùn)用數(shù)字化設(shè)計(jì)、仿真等技術(shù)，需要應(yīng)用網(wǎng)格劃分、流場計(jì)算和后置數(shù)據(jù)處理等多個(gè)設(shè)計(jì)軟件，因此在網(wǎng)格劃分、流場計(jì)算和后置數(shù)據(jù)處理等單元技術(shù)軟件成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，如何提供一個(gè)集成的設(shè)計(jì)環(huán)境，并找到一種有效利用每一個(gè)應(yīng)用軟件的途徑，導(dǎo)通各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)流，顯得非常重要。國外出現(xiàn)了很多氣動(dòng)軟件集成系統(tǒng)，例如NASA開發(fā)的計(jì)算流體力學(xué)統(tǒng)一過程管理系統(tǒng) UPMS［1－2］；NASA 和Boeing合作開發(fā)的CFD通用符號系統(tǒng)（CFD general national syste m，CGNS）［3］等。國內(nèi)在這一方面也開展了許多研究［4］，有飛機(jī)非線性氣動(dòng)特性計(jì)算軟件系統(tǒng)ANSS2000［5－6］。文中從火箭氣動(dòng)設(shè)計(jì)的需求出發(fā)，分析各集成軟件的特點(diǎn)，提出了火箭氣動(dòng)設(shè)計(jì)集成平臺的集成方法，給出了集成技術(shù)途徑。

1 集成對象和集成方法

氣動(dòng)計(jì)算一般包括前處理、流場數(shù)值求解和后處理三個(gè)部分，軟件集成應(yīng)針對以上三個(gè)對象及相關(guān)軟件、數(shù)據(jù)等進(jìn)行集成。文中前處理相當(dāng)于一個(gè)小型的集成模塊，將幾何建模、網(wǎng)格生成和邊界定義等相關(guān)軟件集成封裝，采用PRO／E軟件生成幾何外形，用CFD－GEOM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于后面的解算軟件采用FLUENT，因此再將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT的前置處理軟件GA MBIT進(jìn)行邊界條件設(shè)置，最后輸出FLUENT可讀的文件格式。流場數(shù)值求解采用商業(yè)軟件FLUENT讀取網(wǎng)格文件進(jìn)行求解。后處理采用自研程序?qū)LUENT計(jì)算結(jié)果文件進(jìn)行分析，輸出相應(yīng)氣動(dòng)參數(shù)。

在軟件集成中有過程集成和數(shù)據(jù)集成兩種方法，過程集成以工程設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，從建模到計(jì)算，再到后處理逐步進(jìn)行集成。數(shù)據(jù)集成通過分析不同軟件的數(shù)據(jù)類型，實(shí)現(xiàn)各軟件之間的數(shù)據(jù)交換。文中的集成方法是采用過程集成、數(shù)據(jù)集成合起來方式進(jìn)行。從整體而言，是通過接口開發(fā)，將前處理、計(jì)算、后處理軟件進(jìn)行過程集成，而在軟件集成的每一層，采用數(shù)據(jù)集成的方式針對數(shù)據(jù)交換來進(jìn)行。集成的總體思路如圖1。

圖1 集成方案

2 集成平臺的技術(shù)途徑

火箭氣動(dòng)設(shè)計(jì)集成的基本要素包括軟件、數(shù)據(jù)和流程。涉及到集成框架、集成接口、應(yīng)用封裝等技術(shù)。集成平臺是網(wǎng)格生成軟件、求解器、自研程序的載體。

2.1 集成模塊的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

前處理模塊的實(shí)現(xiàn)過程分為幾何建模、網(wǎng)格生成和邊界設(shè)置。首先給定幾何數(shù)據(jù)，在幾何建模模塊中進(jìn)行建模并參數(shù)化，形成幾何參數(shù)腳本文件。將生成的幾何外形文件導(dǎo)入CFD－GEOM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，形成網(wǎng)格生成腳本文件，然后通過重放操作過程實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的自動(dòng)生成能力。將生成的網(wǎng)格文件導(dǎo)入GA MBIT軟件中進(jìn)行邊界設(shè)置。各軟件之間的接口是通過Python腳本參數(shù)化集成在一起的。具體實(shí)現(xiàn)的工作流程如圖2。

圖2 前置處理工作流程圖

解算過程采用讀入?yún)?shù)文件的方式，實(shí)現(xiàn)流程化和自動(dòng)化。針對不同馬赫數(shù)、不同攻角的計(jì)算狀態(tài)生成適合該狀態(tài)的輸入?yún)?shù)文件和日志文件，然后在后臺啟動(dòng)FL UENT，讀入?yún)?shù)模板文件、日志文件和網(wǎng)格文件進(jìn)行計(jì)算。解算流程如圖3。

后置處理計(jì)算模塊：通過FL UENT計(jì)算得到的是火箭全模型的結(jié)果，可以在不經(jīng)過重新計(jì)算的情形下，取得某些部件的氣動(dòng)力。通過讀取FLUENT數(shù)據(jù)文件，取得網(wǎng)格數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)，并根據(jù)部件長度或不同邊界條件進(jìn)行積分，從而獲得所需的部件氣動(dòng)力。后置處理計(jì)算模塊流程如圖4。

圖3 流動(dòng)解算流程圖

圖4 后置處理計(jì)算模塊流程圖

2.2 集成接口技術(shù)

集成接口技術(shù)是火箭集成項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)之一，它包括軟件集成接口和數(shù)據(jù)及模型轉(zhuǎn)換接口，通過接口技術(shù)將集成中的商業(yè)軟件和自研程序集成為一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)字化流程。針對火箭氣動(dòng)計(jì)算問題，采用文獻(xiàn)［7］中的方法，將火箭計(jì)算時(shí)的常用參數(shù)寫成命令并整理成文件格式，通過FL UENT直接讀入該參數(shù)文件進(jìn)行計(jì)算參數(shù)的設(shè)置。FL UENT的文本用戶界面（T UI）采用Scheme語言編寫，用來控制面板參數(shù)設(shè)置、操作和顯示解算器中的隱藏屬性。

2.3 應(yīng)用封裝技術(shù)

對于包含許多中間步驟的計(jì)算和設(shè)計(jì)流程，為了便于實(shí)現(xiàn)全流程集成，必須將各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行封裝。對各個(gè)數(shù)據(jù)對象進(jìn)行配置，再將各個(gè)軟件進(jìn)行打包，封裝在火箭氣動(dòng)設(shè)計(jì)軟件里面。導(dǎo)通前置處理軟件、流動(dòng)解算軟件和后置處理軟件的應(yīng)用數(shù)據(jù)流，逐步實(shí)現(xiàn)該集成平臺應(yīng)用的自動(dòng)化。

3 集成系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

用該集成平臺對某構(gòu)型火箭進(jìn)行氣動(dòng)計(jì)算和飛行特性分析。圖5是該火箭在Ma＝0.4，α＝4°時(shí)的表面壓力云圖。由圖可以看出，該構(gòu)型火箭表面壓力分布符合箭體繞流流動(dòng)的一般規(guī)律。

圖5 Ma＝0.4，α＝4°的表面壓力云圖

圖6 為該箭體質(zhì)心位置隨時(shí)間變化圖，其箭體姿態(tài)隨時(shí)間變化見圖7，圖中φ、θ、ψ分別為滾轉(zhuǎn)角、偏航角和俯仰角。從圖中可以看出箭體一直在向上運(yùn)動(dòng)，很快脫離地面，還可以看出火箭在運(yùn)動(dòng)過程中姿態(tài)變化較大。

圖6 構(gòu)型A質(zhì)心位置隨時(shí)間變化圖

圖7 構(gòu)型A姿態(tài)隨時(shí)間變化圖

4 結(jié)束語

文中結(jié)合國內(nèi)外的研究經(jīng)驗(yàn)，將軟件集成應(yīng)用到運(yùn)載火箭的氣動(dòng)設(shè)計(jì)中，建立了一個(gè)運(yùn)載火箭氣動(dòng)設(shè)計(jì)集成平臺。該平臺可幫助工作人員直觀、方便、快捷的進(jìn)行運(yùn)載火箭氣動(dòng)設(shè)計(jì)，并且其計(jì)算結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)的精度要求，大大提高了火箭氣動(dòng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域工作人員的工作效率和軟件的使用效率。

［1］ Khaled S Abdol－Hamid，Steven J Massey，Shane Caldwell.Unified process management system f or co mputational fluid dynam ics （UPMS），AIAA：2003－0803［R］.2003.

［2］ Ralph W Noack，David O’Gwynn.An integrated simulation environ ment f or CFD and other co mputational disciplines，AIAA 2004－616［R］.2004.

［3］ CGNS steering committee，CFD general notation system over view and entry－level docu ment［OL］.htt p：／／www.grc.nasa.gov.WWW／cans／overview／overview.pdf.

［4］ 肖虹，高超，黨云卿，等.Fluent軟件的二次開發(fā)及其在火箭氣動(dòng)計(jì)算中的應(yīng)用［J］.航空計(jì)算技術(shù)，2009，39（5）：55－57.

［5］ 任碧寧，白文，朱培燁.開放式氣動(dòng)力數(shù)值模擬系統(tǒng)研究［J］.航空學(xué)報(bào)，1999，20（6）：481－484.

［6］ 白文，梁益華，楊永，等.CFD數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)及其軟件實(shí)現(xiàn)［J］.航空計(jì)算技術(shù)，2002（2）：15－19.

［7］ 黨云卿，高超，白文，等.氣動(dòng)計(jì)算軟件集成系統(tǒng)后處理接口開發(fā)［J］.航空計(jì)算技術(shù)，2008，38（2）：85－88.