CART3D核心技術(shù)由NASA Ames研究中心開發(fā)，包括幾何輸入，表面處理和相交，網(wǎng)格生成及流動(dòng)模擬，完全集成ANSYSICEM CFD仿真環(huán)境中。

通過應(yīng)用最新的計(jì)算圖形學(xué)，計(jì)算幾何學(xué)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)，CART3D提供了無與倫比的自動(dòng)和高效的幾何處理和流體分析功能。該軟件與求解N-S方程的CFD分析比較最大優(yōu)勢(shì)在于分析速度提高了至少10倍以上。

CART3D在NASA 研究中心，美軍研究機(jī)構(gòu)，航空航天工業(yè)公司都得到了成功的應(yīng)用，也因此榮獲了NASA2002年度軟件大獎(jiǎng)。

特色功能

CART3D區(qū)別于其他所有CFD程序的最重要的特征就是“快”，程序中無處不體現(xiàn)此特點(diǎn)；

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專注于氣動(dòng)分析，整體氣動(dòng)升阻力及力矩計(jì)算和六自由度投擲分析；

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核心技術(shù)由NASA Ames 研究中心開發(fā)，充分體現(xiàn)權(quán)威性；

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可以輸入多種幾何模型（CATIA, UG, Pro/E, SolidWorks, I-deas…..）；

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可以讀入外部網(wǎng)格文件（Ansys, CFX-5, CGNS, Plot3d, STL, TecPlot, …）；

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基于部件的表面處理，使各部件可以單獨(dú)移動(dòng)旋轉(zhuǎn)，程序自動(dòng)確定部件之間的相交并提出模擬的外部濕表面；

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空間網(wǎng)格自動(dòng)生成，對(duì)表面描述的復(fù)雜性不敏感；

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有限體積法中心差分求解無粘歐拉方程；

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并行效率優(yōu)異，并行加速與CPU數(shù)目成近似直線關(guān)系；

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適合多攻角，多馬赫數(shù)，多側(cè)滑角批處理計(jì)算，方便生成氣動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

CART3D的成功應(yīng)用案例

哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)絕熱泡沫碎片脫落軌跡分析；

導(dǎo)彈流場(chǎng)分析；

超音速飛行器網(wǎng)格及壓力分布；

C-17，F(xiàn)-15，F(xiàn)-16無人飛行器流場(chǎng)分析；

油箱大小的電磁計(jì)算分析；

航空內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)分析；

汽車通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

具體來說，Cart3D有如下特點(diǎn)：

1. 基于部件的幾何建模

Cart3D 幾何體建模采用基于部件的方法，導(dǎo)入Cart3D 的幾何體由所有部件的集合構(gòu)成，

每個(gè)部件都作為獨(dú)立實(shí)體，可以單獨(dú)移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，只要求每一個(gè)部件是一個(gè)封閉的幾何面即

可。每個(gè)部件的表面網(wǎng)格單獨(dú)創(chuàng)建，各部件之間可以有交叉，交叉部分由Cart3D 自動(dòng)求交，

構(gòu)成單一的飛行器表面網(wǎng)格，求交運(yùn)算采用一系列經(jīng)證實(shí)的計(jì)算幾何學(xué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的強(qiáng)

壯算法?；诓考椒ǖ暮锰幵谟诮：?jiǎn)單快速，同時(shí)符合飛行器部件設(shè)計(jì)的規(guī)律。每一復(fù)

雜外形的飛行器布局可以拆為若干個(gè)簡(jiǎn)單的部件（如機(jī)身、機(jī)翼等），對(duì)部件單獨(dú)建模，并

單獨(dú)創(chuàng)建表面網(wǎng)格，最后由Cart3D 自動(dòng)將部件的表面網(wǎng)格求并集，組合為完整布局的表面

網(wǎng)格。這一方法除了使建?？焖僖酝猓彩寡芯坎考?shù)變動(dòng)異常方便，如調(diào)整操縱面偏角

或改變機(jī)翼外形時(shí)，只需變動(dòng)操縱面或機(jī)翼的表面網(wǎng)格，而不用變動(dòng)其它部件的表面網(wǎng)格。

各部件的幾何體可以通過ICEM CFD 建立，也可有一般的CAD 軟件創(chuàng)建后導(dǎo)入ICEM CFD，

由ICEM CFD 劃分表面三角形網(wǎng)格?；贗CEM CFD 強(qiáng)大的CAD 接口能力，幾乎可以導(dǎo)入

所有格式CAD 文件。

2. 自適應(yīng)笛卡兒體網(wǎng)格生成

網(wǎng)格劃分通常會(huì)占到CFD計(jì)算工作量的60%以上，且一般需要專職的隊(duì)伍，因而網(wǎng)格生

成方法一直是CFD應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。Cart3D采用獨(dú)特的自適應(yīng)笛卡兒體網(wǎng)格作為求解的

基礎(chǔ)，使網(wǎng)格建立變得簡(jiǎn)單快速，不需要網(wǎng)格劃分技巧的，只需簡(jiǎn)單設(shè)置幾個(gè)參數(shù)，系統(tǒng)會(huì)

基于部件表面網(wǎng)格，自動(dòng)生成空間笛卡兒網(wǎng)格，并根據(jù)加密參數(shù)在表面附近自動(dòng)加密。強(qiáng)壯的體網(wǎng)格生成算法使用自適應(yīng)細(xì)化笛卡爾網(wǎng)格來捕捉模型的細(xì)節(jié)，且自適應(yīng)求解網(wǎng)

格可以隨求解得到進(jìn)一步改善。體網(wǎng)格劃分速度快，數(shù)百萬(wàn)的網(wǎng)格在臺(tái)式機(jī)上幾分鐘即可生

成。網(wǎng)格生成難度對(duì)表面描述的復(fù)雜性不敏感，因此可以自動(dòng)處理復(fù)雜問題的空間網(wǎng)格，不

需要用戶的干預(yù)。

3. 無粘Euler 方程求解

Cart3D求解器基于可壓縮Euler方程，適用于亞、跨、超音速流動(dòng)分析。其采用有限體

積法離散，流動(dòng)變量位于網(wǎng)格單元的中心。時(shí)間離散使用龍格庫(kù)塔法，通過時(shí)間推進(jìn)得到穩(wěn)

態(tài)解。空間離散為迎風(fēng)格式，使用限制器，格式具有TVD性質(zhì)。通量函數(shù)和限制器可選。

為加速收斂，Cart3D使用多重網(wǎng)格法來加速迭代過程。

Cart3D壓力積分模塊可從計(jì)算結(jié)果中快速提取全機(jī)和任一部件的升力、阻力，俯仰、滾

轉(zhuǎn)力矩等氣動(dòng)參數(shù)，并分別以風(fēng)軸和體軸系給出。同時(shí)可給出任一部件、部件組，關(guān)于任一

點(diǎn)、線的力矩。

計(jì)算結(jié)果的流場(chǎng)后處理可以使用ICEM CFD的后處理模塊，也可以輸出到其它多種后處

理軟件中，給出流場(chǎng)分布信息。

4. 并行計(jì)算

基于分區(qū)算法，Cart3D 可用于并行計(jì)算，使用64 個(gè)處理器并行計(jì)算，其加速比可達(dá)60

以上。Cart3D 可自動(dòng)進(jìn)行分區(qū)網(wǎng)格劃分，用戶只需設(shè)置參數(shù)。

5. 批處理計(jì)算

概念和初步設(shè)計(jì)階段，除了布局方案多以外，每個(gè)方案需要計(jì)算的狀態(tài)也是大量的。

Cart3D 以快速求解為基礎(chǔ)，針對(duì)多狀態(tài)求解，專門提供的批處理計(jì)算功能。用戶可預(yù)先設(shè)

置一系列需計(jì)算的狀態(tài)參數(shù)（如迎角、馬赫數(shù)等），Cart3D 可自動(dòng)依次求解所用流動(dòng)狀態(tài)，

并自動(dòng)給出所有氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，形成氣動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)，來支持預(yù)研設(shè)計(jì)和方案篩選。

6. 外掛和導(dǎo)彈投放模擬

針對(duì)飛行器外掛物和導(dǎo)彈投放等運(yùn)動(dòng)物模擬，Cart3D 提供了六自由度剛體和流體耦合

模塊，其獨(dú)特的笛卡兒網(wǎng)格系統(tǒng)可方便的采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。用戶可指定需運(yùn)動(dòng)的部件，設(shè)置

其幾何和運(yùn)動(dòng)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)起止時(shí)間及時(shí)間間隔，Cart3D 會(huì)自動(dòng)求出每一時(shí)間步的流場(chǎng)信息

及部件的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模擬。

基于以上特點(diǎn)可見，Cart3D作為快速氣動(dòng)預(yù)研軟件，是飛行器概念和初步設(shè)計(jì)階段的有

力工具，其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用也必將越來越廣泛。