氣動設計平臺集成技術開發(fā)研究＊

袁先士，高 超，南 江，白 文，楊 永，禹彩輝

（1西北工業(yè)大學翼型葉柵空氣動力學國防科技重點實驗室，西安 710072；2中國航空研究院，北京 100012；3中國航空計算技術研究所，西安 710068）

0 引言

火箭設計由于其特殊的設計要求，需要綜合運用數(shù)字化設計、仿真等技術，需要應用網(wǎng)格劃分、流場計算和后置數(shù)據(jù)處理等多個設計軟件，因此在網(wǎng)格劃分、流場計算和后置數(shù)據(jù)處理等單元技術軟件成功應用的基礎上，如何提供一個集成的設計環(huán)境，并找到一種有效利用每一個應用軟件的途徑，導通各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)流，顯得非常重要。國外出現(xiàn)了很多氣動軟件集成系統(tǒng)，例如NASA開發(fā)的計算流體力學統(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］，有飛機非線性氣動特性計算軟件系統(tǒng)ANSS2000［5－6］。文中從火箭氣動設計的需求出發(fā)，分析各集成軟件的特點，提出了火箭氣動設計集成平臺的集成方法，給出了集成技術途徑。

1 集成對象和集成方法

氣動計算一般包括前處理、流場數(shù)值求解和后處理三個部分，軟件集成應針對以上三個對象及相關軟件、數(shù)據(jù)等進行集成。文中前處理相當于一個小型的集成模塊，將幾何建模、網(wǎng)格生成和邊界定義等相關軟件集成封裝，采用PRO／E軟件生成幾何外形，用CFD－GEOM進行網(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)格導入FLUENT的前置處理軟件GA MBIT進行邊界條件設置，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)格文件進行求解。后處理采用自研程序?qū)LUENT計算結(jié)果文件進行分析，輸出相應氣動參數(shù)。

在軟件集成中有過程集成和數(shù)據(jù)集成兩種方法，過程集成以工程設計為基礎，從建模到計算，再到后處理逐步進行集成。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)集成合起來方式進行。從整體而言，是通過接口開發(fā)，將前處理、計算、后處理軟件進行過程集成，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 集成平臺的技術途徑

火箭氣動設計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、應用封裝等技術。集成平臺是網(wǎng)格生成軟件、求解器、自研程序的載體。

2.1 集成模塊的實現(xiàn)技術

前處理模塊的實現(xiàn)過程分為幾何建模、網(wǎng)格生成和邊界設置。首先給定幾何數(shù)據(jù)，在幾何建模模塊中進行建模并參數(shù)化，形成幾何參數(shù)腳本文件。將生成的幾何外形文件導入CFD－GEOM進行網(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現(xiàn)網(wǎng)格的自動生成能力。將生成的網(wǎng)格文件導入GA MBIT軟件中進行邊界設置。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，實現(xiàn)流程化和自動化。針對不同馬赫數(shù)、不同攻角的計算狀態(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FL UENT，讀入?yún)?shù)模板文件、日志文件和網(wǎng)格文件進行計算。解算流程如圖3。

后置處理計算模塊：通過FL UENT計算得到的是火箭全模型的結(jié)果，可以在不經(jīng)過重新計算的情形下，取得某些部件的氣動力。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行積分，從而獲得所需的部件氣動力。后置處理計算模塊流程如圖4。

圖3 流動解算流程圖

圖4 后置處理計算模塊流程圖

2.2 集成接口技術

集成接口技術是火箭集成項目的關鍵技術之一，它包括軟件集成接口和數(shù)據(jù)及模型轉(zhuǎn)換接口，通過接口技術將集成中的商業(yè)軟件和自研程序集成為一個統(tǒng)一的數(shù)字化流程。針對火箭氣動計算問題，采用文獻［7］中的方法，將火箭計算時的常用參數(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)文件進行計算參數(shù)的設置。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)設置、操作和顯示解算器中的隱藏屬性。

2.3 應用封裝技術

對于包含許多中間步驟的計算和設計流程，為了便于實現(xiàn)全流程集成，必須將各個系統(tǒng)進行封裝。對各個數(shù)據(jù)對象進行配置，再將各個軟件進行打包，封裝在火箭氣動設計軟件里面。導通前置處理軟件、流動解算軟件和后置處理軟件的應用數(shù)據(jù)流，逐步實現(xiàn)該集成平臺應用的自動化。

3 集成系統(tǒng)應用實例

用該集成平臺對某構(gòu)型火箭進行氣動計算和飛行特性分析。圖5是該火箭在Ma＝0.4，α＝4°時的表面壓力云圖。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)心位置隨時間變化圖，其箭體姿態(tài)隨時間變化見圖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動，很快脫離地面，還可以看出火箭在運動過程中姿態(tài)變化較大。

圖6 構(gòu)型A質(zhì)心位置隨時間變化圖

圖7 構(gòu)型A姿態(tài)隨時間變化圖

4 結(jié)束語

文中結(jié)合國內(nèi)外的研究經(jīng)驗，將軟件集成應用到運載火箭的氣動設計中，建立了一個運載火箭氣動設計集成平臺。該平臺可幫助工作人員直觀、方便、快捷的進行運載火箭氣動設計，并且其計算結(jié)果達到設計的精度要求，大大提高了火箭氣動設計領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)及其在火箭氣動計算中的應用［J］.航空計算技術，2009，39（5）：55－57.

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

［6］ 白文，梁益華，楊永，等.CFD數(shù)據(jù)交換標準及其軟件實現(xiàn)［J］.航空計算技術，2002（2）：15－19.

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