F06AEDC外挂物分离投放模拟
算例描述
WPFS算例为标准的外挂物分离投放算例，由美国空军研究实验室（AFRL）资助，风洞试验在阿诺德工程发展中心（AEDC）4英尺跨音速空气动力风洞进行。该算例几何外形由机翼/挂架/带翼吊舱组成。AEDC采用捕获轨迹系统（CTS）进行投放试验，该系统连接外挂物，是一个可以进行六自由度运动的尾支杆。试验于1996年6月12日完成，测试数据对外公开，用于多体分离数值软件的验证确认。 外挂物从机体分离后，两者之间产生激波干扰，导致外挂物气动力随时间产生变化，而气动力变化影响外挂物姿态的变化，投放的过程是一个复杂的非定常现象。本算例用于评测风雷软件在多体分离这一应用场景下的数值模拟能力。
计算条件
主要来流参数：
| 参数名 | 数值 | 单位 |
|---|---|---|
| 马赫数 | 0.95 | / |
| 飞行高度 | 8.0 | $km$ |
| 攻角 | 0.0 | $^\circ$ |
| 侧滑角 | 0.0 | $^\circ$ |
| 壁面温度 | 绝热 | $K$ |
| 网格缩放因子 | 1.0 | / |
| 参考长度 | 1.0 | $m$ |
| 参考展长 | 1.0 | $m$ |
| 参考面积 | 1.0 | $m$ |
| 参考点 | （0.0,0.0,0.0） | $m^2$ |
主要计算参数：
| 参数名 | 数值 | 单位 |
|---|---|---|
| 物理模型 | 无粘欧拉 | / |
| 离散格式 | Roe | / |
| 有量纲物理时间 | 0.03 | $s$ |
| CFL起始数 | 10 | / |
| CFL终止数 | 20 | / |
| 重叠区插值单元层数 | 1 | / |
| 重叠区活跃区域扩展次数 | 3 | / |
| 重叠网格插值方法 | 1 | / |
| 参考速度 | 292.715 | $m/s$ |
| 参考密度 | 0.526445 | $kg/m^3$ |
| 外挂物质量 | 907.184 | $kg$ |
| 外挂物绕$x$轴转动惯量$Ixx$（惯性系） | 27.116 | $kg*m^2$ |
| 外挂物绕$y$轴转动惯量$Iyy$（惯性系） | 488.094 | $kg*m^2$ |
| 外挂物绕$z$轴转动惯量$Izz$（惯性系） | 488.094 | $kg*m^2$ |
| 外挂物初始质心位置 | (4.2615,-0.89916,3.302) | $m$ |
计算网格
在本算例中，重叠装配前的外挂物分离投放网格主要由主翼及弹体等2部分网格组成，共计约2112820非结构网格单元，网格如图1所示。
图1 外挂物分离投放网格
计算结果
1. 分离过程3个典型时刻物面压力系数分布云图
图2 t=0s
图3 t=0.15s
图4 t=0.3s
图2至图4为0s，0.15s，0.3s等3个典型时刻的物面压力系数分布云图，显示了外挂物从挂载到分离投放的全过程，整个过程计算结果对激波干扰等现象的捕捉较好。
2. 分离过程运动学参数
图5 线位移轨迹
图6 角速度轨迹
图7 姿态角轨迹
图8 线速度轨迹
图5至图8分别为外挂物分离投放过程，线位移、角速度、姿态角、线速度等运动学参数轨迹随时间的变化，软件计算的结果同试验值吻合较好。
结论
通过对外挂物分离投放算例标模数值模拟得到不同典型时刻的压力分布及线位移等运动学参数轨迹随时间的变化情况。可以看到软件针对多体分离应用场景的数值模拟能力，能较准确地预测运动部件相关运动学参数的轨迹，也能捕捉到分离过程激波干扰等典型特征流动现象。
综上所述，本次测试能够证实当前软件在隐式重叠重配、动网格及非定常计算等功能的正确性和可靠性。
参考文献
[1].赵钟,等. 风雷（PHengLEI）通用CFD软件设计[J]. 计算机工程与科学, 2020, 42(2): 210-219.(Zhao Zhong, et al. Design of general CFD software PHengLEI [J]. Computer Engineering & Science, 2020, 42(2): 210-219. (in Chinese))
[2].赵钟,等.适用于任意网格的大规模并行CFD计算框架PHengLEI[J]. 计算机学报, 2019, 42(11): 2368-2383. (Zhao Zhong, et al. PHengLEI: A Large Scale Parallel CFD Framework for Arbitrary Grids [J]. Chinese Journal of Computers, 2019, 42(11): 2368-2383. (in Chinese))
[3].Hall L H, Parthasarathy V. Validation of an automated Chimera/6-DOF methodology for multiple moving body problems[C]. 36th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.1998.
[4].田书玲.基于非结构网格方法的重叠网格算法研究[D]. 南京:南京航空航天大学，2008.
[5].常兴华,马戎,张来平等.并行化非结构重叠网格隐式装配技术[J].航空学报,2018, 39(6):11.