气动设计平台集成技术开发研究＊

袁先士，高 超，南 江，白 文，杨 永，禹彩辉

（1西北工业大学翼型叶栅空气动力学国防科技重点实验室，西安 710072；2中国航空研究院，北京 100012；3中国航空计算技术研究所，西安 710068）

0 引言

火箭设计由于其特殊的设计要求，需要综合运用数字化设计、仿真等技术，需要应用网格划分、流场计算和后置数据处理等多个设计软件，因此在网格划分、流场计算和后置数据处理等单元技术软件成功应用的基础上，如何提供一个集成的设计环境，并找到一种有效利用每一个应用软件的途径，导通各环节的数据流，显得非常重要。国外出现了很多气动软件集成系统，例如NASA开发的计算流体力学统一过程管理系统 UPMS［1－2］；NASA 和Boeing合作开发的CFD通用符号系统（CFD general national syste m，CGNS）［3］等。国内在这一方面也开展了许多研究［4］，有飞机非线性气动特性计算软件系统ANSS2000［5－6］。文中从火箭气动设计的需求出发，分析各集成软件的特点，提出了火箭气动设计集成平台的集成方法，给出了集成技术途径。

1 集成对象和集成方法

气动计算一般包括前处理、流场数值求解和后处理三个部分，软件集成应针对以上三个对象及相关软件、数据等进行集成。文中前处理相当于一个小型的集成模块，将几何建模、网格生成和边界定义等相关软件集成封装，采用PRO／E软件生成几何外形，用CFD－GEOM进行网格划分，由于后面的解算软件采用FLUENT，因此再将划分好的网格导入FLUENT的前置处理软件GA MBIT进行边界条件设置，最后输出FLUENT可读的文件格式。流场数值求解采用商业软件FLUENT读取网格文件进行求解。后处理采用自研程序对FLUENT计算结果文件进行分析，输出相应气动参数。

在软件集成中有过程集成和数据集成两种方法，过程集成以工程设计为基础，从建模到计算，再到后处理逐步进行集成。数据集成通过分析不同软件的数据类型，实现各软件之间的数据交换。文中的集成方法是采用过程集成、数据集成合起来方式进行。从整体而言，是通过接口开发，将前处理、计算、后处理软件进行过程集成，而在软件集成的每一层，采用数据集成的方式针对数据交换来进行。集成的总体思路如图1。

图1 集成方案

2 集成平台的技术途径

火箭气动设计集成的基本要素包括软件、数据和流程。涉及到集成框架、集成接口、应用封装等技术。集成平台是网格生成软件、求解器、自研程序的载体。

2.1 集成模块的实现技术

前处理模块的实现过程分为几何建模、网格生成和边界设置。首先给定几何数据，在几何建模模块中进行建模并参数化，形成几何参数脚本文件。将生成的几何外形文件导入CFD－GEOM进行网格划分，形成网格生成脚本文件，然后通过重放操作过程实现网格的自动生成能力。将生成的网格文件导入GA MBIT软件中进行边界设置。各软件之间的接口是通过Python脚本参数化集成在一起的。具体实现的工作流程如图2。

图2 前置处理工作流程图

解算过程采用读入参数文件的方式，实现流程化和自动化。针对不同马赫数、不同攻角的计算状态生成适合该状态的输入参数文件和日志文件，然后在后台启动FL UENT，读入参数模板文件、日志文件和网格文件进行计算。解算流程如图3。

后置处理计算模块：通过FL UENT计算得到的是火箭全模型的结果，可以在不经过重新计算的情形下，取得某些部件的气动力。通过读取FLUENT数据文件，取得网格数据和结果数据，并根据部件长度或不同边界条件进行积分，从而获得所需的部件气动力。后置处理计算模块流程如图4。

图3 流动解算流程图

图4 后置处理计算模块流程图

2.2 集成接口技术

集成接口技术是火箭集成项目的关键技术之一，它包括软件集成接口和数据及模型转换接口，通过接口技术将集成中的商业软件和自研程序集成为一个统一的数字化流程。针对火箭气动计算问题，采用文献［7］中的方法，将火箭计算时的常用参数写成命令并整理成文件格式，通过FL UENT直接读入该参数文件进行计算参数的设置。FL UENT的文本用户界面（T UI）采用Scheme语言编写，用来控制面板参数设置、操作和显示解算器中的隐藏属性。

2.3 应用封装技术

对于包含许多中间步骤的计算和设计流程，为了便于实现全流程集成，必须将各个系统进行封装。对各个数据对象进行配置，再将各个软件进行打包，封装在火箭气动设计软件里面。导通前置处理软件、流动解算软件和后置处理软件的应用数据流，逐步实现该集成平台应用的自动化。

3 集成系统应用实例

用该集成平台对某构型火箭进行气动计算和飞行特性分析。图5是该火箭在Ma＝0.4，α＝4°时的表面压力云图。由图可以看出，该构型火箭表面压力分布符合箭体绕流流动的一般规律。

图5 Ma＝0.4，α＝4°的表面压力云图

图6 为该箭体质心位置随时间变化图，其箭体姿态随时间变化见图7，图中φ、θ、ψ分别为滚转角、偏航角和俯仰角。从图中可以看出箭体一直在向上运动，很快脱离地面，还可以看出火箭在运动过程中姿态变化较大。

图6 构型A质心位置随时间变化图

图7 构型A姿态随时间变化图

4 结束语

文中结合国内外的研究经验，将软件集成应用到运载火箭的气动设计中，建立了一个运载火箭气动设计集成平台。该平台可帮助工作人员直观、方便、快捷的进行运载火箭气动设计，并且其计算结果达到设计的精度要求，大大提高了火箭气动设计领域工作人员的工作效率和软件的使用效率。

［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，党云卿，等.Fluent软件的二次开发及其在火箭气动计算中的应用［J］.航空计算技术，2009，39（5）：55－57.

［5］ 任碧宁，白文，朱培烨.开放式气动力数值模拟系统研究［J］.航空学报，1999，20（6）：481－484.

［6］ 白文，梁益华，杨永，等.CFD数据交换标准及其软件实现［J］.航空计算技术，2002（2）：15－19.

［7］ 党云卿，高超，白文，等.气动计算软件集成系统后处理接口开发［J］.航空计算技术，2008，38（2）：85－88.