2014_CART3D_12.0中文培训手册

Cart3D培训手册ANSYSCHINACart3D培训手册2Cart3D培训手册目录第一章Cart3D基础1.1Cart3D软件包简介1.2Cart3D网格基础1.3Cart3D数值基础1.4Cart3D后处理第二章三个整流锥的网格创建2.1学习目标2.2问题描述2.3网格创建第三章后掠机翼0.54Ma绕流计算3.1学习目标3.2问题描述3.3网格创建3.4问题求解3.5结果后处理第四章后掠机翼0.84Ma绕流计算4.1学习目标4.2问题描述4.3网格创建4.4问题求解4.5结果后处理第五章有翼导弹超音速绕流计算5.1学习目标5.2问题描述5.3网格创建5.4问题求解5.5结果后处理第六章商务机全机流场计算6.1学习目标6.2问题描述6.3网格创建6.4问题求解6.5结果后处理Cart3D培训手册3第七章轰炸机全机流场计算7.1学习目标7.2问题描述7.3网格创建7.4问题求解7.5结果后处理7.6六自由度运动轨迹计算第八章空速管入口流场计算8.1学习目标8.2问题描述8.3网格创建8.4问题求解8.5结果后处理第九章收缩-扩张喷管流场计算9.1学习目标9.2问题描述9.3网格创建9.4问题求解9.5结果后处理Cart3D培训手册Cart3D培训手册1第一章Cart3D基础1.1Cart3D软件包简介Cart3D是高精度无粘流动分析软件包。基于有限体积法、非结构自适应笛卡儿网格，求解可压缩Euler方程；采用多重网格法加速收敛，基于分区算法可并行计算，适合于计算复杂外形飞行器定常状态下的外流场，主要用于飞行器概念设计和初步设计阶段的气动力和载荷分布计算。Cart3D最初由NASAAmes研究中心开发，曾成功用于多种飞行器外流场的气动模拟。后由Ansys公司集成在ICEMCFDV5.1中，其在ICEMCFD中的位置如图1.1所示。图1.1Cart3D在ICEMCFD中的位置Cart3D软件包包含以下五个组成部分：笛卡儿体网格创建器Cubes（VolumeMesher）流动解算器FlowCart（Solve）压力积分工具Clic（IntegrateCp）批处理模块（RunTrial）六自由度刚体和流动耦合模块（Run6DOF）Cart3D求解流动问题的一般步骤为：1创建封闭的几何体，几何体可由ICEMCFD的Geometry创建，也可有一般的CAD软件创建后导入ICEMCFD修整；2基于步骤1的几何体，用ICEMCFD的Tetra模块创建非结构表面三角网格；3基于步骤2非结构表面网格，由Cart3D中的笛卡儿体网格创建器修整以后创建笛Cart3D培训手册2Cart3D培训手册卡儿体网格；4将步骤3创建的笛卡儿体网格导入Cart3D中的流动解算器，设置计算参数，进行流动模拟，直至收敛；5基于步骤4的计算结果，通过Cart3D中的压力积分工具计算气动力系数或将计算结果导入ICEMCFD的后处理模块Post-processing中显示计算结果。以后各章将通过具体算例来进一步说明以上步骤的具体含义。1.2Cart3D网格基础Cart3D的网格部分包括几何体生成、表面非结构三角网格创建和笛卡儿体网格创建三部分。Cart3D几何体建模采用的是基于部件的方法，导入Cart3D的几何体由部件集合构成，称为布局。图1.2给出了基于部件方法创建的航天飞机外形布局，共由20余个部件构成（如机身为一个部件、机翼为一个部件等）。每一个部件必需是一个封闭的几何面，每个部件的表面网格单独创建，各部见之间可以有交叉，交叉部分由Cart3D自动计算求出湿表面，构成单一的飞行器表面网格。基于部件方法的好处在于建模简单，每一复杂外形的布局可以拆为若干个简单的部件，对部件单独建模，并单独创建表面网格，最后由Cart3D自动求出布局的湿表面，组合为完整布局的表面网格。这一方法使变动部件参数的时候很方便，如变动操纵面偏角或改变机翼外形时，只需变动操纵面或机翼的表面网格，而不用变动其它部件的表面网格。图1.2基于部件的方法创建的航天飞机外形Cart3D培训手册Cart3D培训手册3各部件的几何体可以通过ICEMCFD的Geometry创建，也可有一般的CAD软件创建后导入ICEMCFD，通过CADRepair功能修整（参见ICEMCFD用户手册），最后存为*.tin文件。基于部件的几何体生成后，用ICEMCFD的Tetra模块为每一部件单独创建非结构表面三角网格（必须为三角网格），并存为*.uns文件。各部件的表面网格生成以后，并没有形成布局的表面网格，因为个部件之间有重叠和交叉，需要用笛卡儿体网格创建器里面的几何体分割功能将部件的多余部分去掉，构成完整的布局表面网格，这一过程由软件自动完成，用户只需设置参数。这一步完成后将在用户工作目录中生成*_c3d.i.tri文件，该文件即为完整布局的非结构表面三角网格，是进一步生成笛卡儿体网格的基础。布局表面网格生成以后，就可以用Cart3D的体网格生成器生成自适应笛卡儿体网格了。Cart3D中的笛卡儿体网格创建器具有以下特点：1每个体网格单元平均占用内存13-15个计算机字；2基于几何体的自适应网格剖分（可各向异性自适应加密）；3可在某指定方向限制所画网格展弦比；4用户可设定所画网格的单元总数和最大可用内存；5为适应并行计算，网格可自动分区；6可在指定区域使网格按一定条件自适应。Cart3D中的笛卡儿体网格创建器生成的是非结构自适应笛卡儿网格，其所生成的最小单元尺寸由剖分网格时的初始网格数（InitialMeshDivisions）和网格的细化重数（NumberofRefinementLevels）决定的。网格自适应的区域可以在ICEMCFD控制。创建的笛卡儿体网格可以存为Cart3D自身的网格格式，也可以存为ICEMCFD的非结构六面体网格格式*.uns，通过ICEMCFD所带的格式转换器，可将其输出到其它大多数笛卡儿网格求解器中。注意：对于飞行器绕流问题，画网格时要注意坐标系方向，Cart3D求解器在计算时默认气流方向为X轴正方向方向，模型尺寸单位为国际单位米（m）。由于考虑到比率缩放的问题，建议实际测量一下模型的特征尺寸，这样比较确定一些，IcemCFD本身是Cart3D培训手册4Cart3D培训手册没有单位的。1.3Cart3D数值基础本节介绍Cart3D解算器的数值基础，包括控制方程、数值及并行算法。Cart3D解算器中的控制方程为三维无粘可压缩Euler方程，状态方程为完全气体方程，将方程写为控制体Ω的形式如公式（1）所示，∂Ω为边界面。dsnˆFdVtQ（1）Q为流动变量组成的状态向量，Q=[ρ,ρu,ρv,ρw,ρE]T；nˆ是指向控制体外的单位向量；F通量函数。半离散形式的控制方程如公式（2）。jfacesSnFVˆ1Q~dtd（2）Cart3D采用有限体积离散，流动变量位于网格单元的中心。Cart3D主要用于计算定常流，时间离散使用龙格库塔法，通过时间推进得到稳态解，由于时间离散不精确，不适于非定常计算。空间离散为迎风格式，使用限制器，格式具有TVD性质。通量函数可选（VanLeer和Colella1998），限制器提供两个（Minimod和vental）。从格式的健壮性考虑，一般选择VanLeer通量函数和Minimod限制器。基于分区算法，Cart3D可用于并行计算，使用64个处理器并行计算，加速比可达60。由于需要MPI作为并行计算时的通讯软件，因而为使用并行计算功能，需先安装MPI。同时使用并行功能，建立网格时需将网格分区，这由Cart3D自动划分，用户只需设置参数。为加速收敛，Cart3D采用FAS（FullApproximationStorage）多重网格法。为使用该功能，创建网格时需生成一系列粗网格以启动该功能。1.4Cart3D后处理Cart3D的结算结果可直接导入ICEMCFD的后处理模块Post-processing来显示，也Cart3D培训手册Cart3D培训手册5可以转为其它格式，由其它后处理软件处理（如Tecplot、FieldView等）。同时Cart3D软件包中的压力积分工具可将计算所的压力结果积分，得到气动力系数。Cart3D支持XP或者200032位操作系统，在64位操作系统上，Visual3D后处理有可能安装不上或者安装好之后启动不了。第二章三个整流锥的网格创建2.1学习目标本章将通过一个具体例子来说明Cart3D网格创建器的使用。具体目标为：1使用Cart3D体网格创建工具为已生成表面网格的三个整流锥生成笛卡儿体网格；2学会为启用多重网格法而在网格创建时必需的设置。2.2问题描述图2.1给出需要创建体网格的三个交叉整流锥。三个整流锥是由三个部件（每个整流锥为一部件）组成的布局，为简单起见，每个部件的表面网格已分别生成，本章主要是对其进一步处理，生成体网格。至于几何体及表面网格如何创建，本章不涉及，以后各章将进一步介绍。该文件是ICEMCFD所自带的例子文件，位于CFD_Tutorial_Files\Cart3D_Examples目录下，文件名为plugs.uns。图2.1三个整流锥Cart3D培训手册6Cart3D培训手册2.3网格创建以下说明对三个整流锥的体网格创建过程。1创建工程文件首先创建工作目录，如D:\Cart3D\Plugs。选择菜单File中ChangeWorking，在弹出的对话框中选择钢建立的文件夹（如D:\Cart3D\Plugs）。将CFD_Tutorial_Files\Cart3D_Examples目录下的plugs.uns文件拷入工作目录。点击打开网格按钮，在工作目录中打开文件plugs.uns。注：如果打开之后看不到几何体，可能是几何体不在视图区，按热键字母h或x可恢复显示。2生成网格预览打开几何体的表面网格后，先不急于生成全部网格，可先生成网格显示图，预览一下网格的形式。以下具体说明。1）在ICEMCFD界面中按Cart3D标签按钮，选择其下的体网格创建器，得到窗口如图2.2。Cart3D培训手册Cart3D培训手册7图2.22）在左面板上选择FixNormal选项（默认情况已选择，保留即可），修理表面三角网格的法线。该选项保证几何体表面的每个三角网格的法线方向都指向外表面，从而可使表面三角网格中每个三角单元的编号和坐标都按逆时针顺序排列，这是进一步生成体网格的必须要求。3）设置NominalMeshradius(BodylengthX)=20,StartingMeshDivision=555，Max.NumberofCellsRefinement=11。4）按ComputeParameters按钮，计算参数。Cart3D将ICEMCFD表面网格转为自Cart3D培训手册8Cart3D培训手册图2.3己的自身的格式（*.tri），并存在工作目录中，如部件之间由交叉，则自动求并集，去掉多余部分。输出文件*.a.tri为模型未求湿表面的文件，*.i.tri为模型求湿表面以后的文件。计算结束之后会显示最小网格单元FinestCellDimension＝0.983x0.983x0.983，这是Cart3D最小的格子数，它由StartingMeshDivision和NumberofCellsRefinement决定。注：Cart3D通过模型的特征长度的倍数来设置体网格的区域大小，NominalMeshCart3D培训手册Cart3D培训手册9radius(BodylengthX)=20，是使体网格在三个坐标方向的长度为模型的特征长度20倍；初始网格数为555（StartingMeshDivision=555），在此基础上进行11重加密（NumberofCellsRefinement）。0.983*0.983*0.983具体的单位要视模型的单位而定。5）计算参数之后会在每个部件和整体布局周围各建立一个用于模型附近网格密度控制的多面体，该多面体可以通过点击左下角窗口的GeometryDensitie