CART3D软件功能与应用概览

CART3D核心技术由NASA Ames研究中心开发，包括几何输入，表面处理和相交，网格生成及流动模拟，完全集成ANSYSICEM CFD仿真环境中。

通过应用最新的计算图形学，计算几何学和计算流体动力学技术，CART3D提供了无与伦比的自动和高效的几何处理和流体分析功能。该软件与求解N-S方程的CFD分析比较最大优势在于分析速度提高了至少10倍以上。

CART3D在NASA 研究中心，美军研究机构，航空航天工业公司都得到了成功的应用，也因此荣获了NASA2002年度软件大奖。

特色功能

CART3D区别于其他所有CFD程序的最重要的特征就是“快”，程序中无处不体现此特点；

专注于气动分析，整体气动升阻力及力矩计算和六自由度投掷分析；

核心技术由NASA Ames 研究中心开发，充分体现权威性；

可以输入多种几何模型（CATIA, UG, Pro/E, SolidWorks, I-deas…..）；

可以读入外部网格文件（Ansys, CFX-5, CGNS, Plot3d, STL, TecPlot, …）；

基于部件的表面处理，使各部件可以单独移动旋转，程序自动确定部件之间的相交并提出模拟的外部湿表面；

空间网格自动生成，对表面描述的复杂性不敏感；

有限体积法中心差分求解无粘欧拉方程；

并行效率优异，并行加速与CPU数目成近似直线关系；

适合多攻角，多马赫数，多侧滑角批处理计算，方便生成气动数据库。

CART3D的成功应用案例

哥伦比亚号航天飞机绝热泡沫碎片脱落轨迹分析；

导弹流场分析；

超音速飞行器网格及压力分布；

C-17，F-15，F-16无人飞行器流场分析；

油箱大小的电磁计算分析；

航空内燃机设计分析；

汽车通风系统设计分析

具体来说，Cart3D有如下特点：

1. 基于部件的几何建模

Cart3D 几何体建模采用基于部件的方法，导入Cart3D 的几何体由所有部件的集合构成，每个部件都作为独立实体，可以单独移动、旋转，只要求每一个部件是一个封闭的几何面即可。

每个部件的表面网格单独创建，各部件之间可以有交叉，交叉部分由Cart3D 自动求交，构成单一的飞行器表面网格，求交运算采用一系列经证实的计算几何学和计算机图形学的强壮算法。

基于部件方法的好处在于建模简单快速，同时符合飞行器部件设计的规律。每一复杂外形的飞行器布局可以拆为若干个简单的部件（如机身、机翼等），对部件单独建模，并单独创建表面网格，最后由Cart3D 自动将部件的表面网格求并集，组合为完整布局的表面网格。

这一方法除了使建模快速以外，也使研究部件参数变动异常方便，如调整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。

各部件的几何体可以通过ICEM CFD 建立，也可有一般的CAD 软件创建后导入ICEM CFD，由ICEM CFD 划分表面三角形网格。基于ICEM CFD 强大的CAD 接口能力，几乎可以导入所有格式CAD 文件。

2. 自适应笛卡儿体网格生成

网格划分通常会占到CFD计算工作量的60%以上，且一般需要专职的队伍，因而网格生成方法一直是CFD应用的关键技术之一。Cart3D采用独特的自适应笛卡儿体网格作为求解的基础，使网格建立变得简单快速，不需要网格划分技巧的，只需简单设置几个参数，系统会基于部件表面网格，自动生成空间笛卡儿网格，并根据加密参数在表面附近自动加密。

强壮的体网格生成算法使用自适应细化笛卡尔网格来捕捉模型的细节，且自适应求解网格可以随求解得到进一步改善。体网格划分速度快，数百万的网格在台式机上几分钟即可生成。

网格生成难度对表面描述的复杂性不敏感，因此可以自动处理复杂问题的空间网格，不需要用户的干预。

3. 无粘Euler 方程求解

Cart3D求解器基于可压缩Euler方程，适用于亚、跨、超音速流动分析。其采用有限体积法离散，流动变量位于网格单元的中心。时间离散使用龙格库塔法，通过时间推进得到稳态解。空间离散为迎风格式，使用限制器，格式具有TVD性质。通量函数和限制器可选。为加速收敛，Cart3D使用多重网格法来加速迭代过程。

Cart3D压力积分模块可从计算结果中快速提取全机和任一部件的升力、阻力，俯仰、滚转力矩等气动参数，并分别以风轴和体轴系给出。同时可给出任一部件、部件组，关于任一点、线的力矩。计算结果的流场后处理可以使用ICEM CFD的后处理模块，也可以输出到其它多种后处理软件中，给出流场分布信息。

4. 并行计算

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，其加速比可达60以上。Cart3D 可自动进行分区网格划分，用户只需设置参数。

5. 批处理计算

概念和初步设计阶段，除了布局方案多以外，每个方案需要计算的状态也是大量的。Cart3D 以快速求解为基础，针对多状态求解，专门提供的批处理计算功能。

用户可预先设置一系列需计算的状态参数（如迎角、马赫数等），Cart3D 可自动依次求解所用流动状态，并自动给出所有气动力数据，形成气动数据库，来支持预研设计和方案筛选。

6. 外挂和导弹投放模拟

针对飞行器外挂物和导弹投放等运动物模拟，Cart3D 提供了六自由度刚体和流体耦合模块，其独特的笛卡儿网格系统可方便的采用动网格技术。

用户可指定需运动的部件，设置其几何和运动参数、运动起止时间及时间间隔，Cart3D 会自动求出每一时间步的流场信息及部件的运动轨迹，实现运动模拟。基于以上特点可见，Cart3D作为快速气动预研软件，是飞行器概念和初步设计阶段的有力工具，其在航空航天领域的应用也必将越来越广泛。

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