PiFlow多体分离功能——实时轨迹计算
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背景介绍
多体分离过程相当复杂，不同物体之间存在相互干扰，为确保飞行器的飞行安全，必须研究它们之间的干扰与分离，因此，多体分离问题是航空航天等工业设计部门非常关心的力学问题之一。
目前，多体分离轨迹问题主要是依托风洞实验和数值模拟两类。风洞实验采用的技术方法主要有捕获轨迹系统、自由投放实验、网格扫描方法和流向角方法等。
总体来说，地面设备不足使得采用风洞实验手段研究多体分离问题相对比较困难，尤其是在高速机动飞行等非常规情况下，试验研究的局限性越发明显。近年来，数值方法的进步使得仿真计算越来越能逼近现实状况，采用数值方法模拟多体分离轨迹也逐渐成为一种常用的技术手段。
嵌套网格技术由运动物体网格和背景网格组成，通过对重叠区插值运算完成网格间的数据传递计算。此类方法为国外常用的运动问题求解算法，相对成熟。Fluent软件运用嵌套网格技术和用户自定义函数UDF成功的结合模拟多体分离轨迹问题。但嵌套网格学习成本较高，UDF程序的编写对没有经验的小白来说难度很大。
实际上小π同学也尝试着用Fluent计算多体分离问题，但是嵌套网格学习时间比较久，UDF的相关资料比较少，学习时间长，上手慢，以及计算过程遇到一系列问题导致计算失败，复杂程度深深的打击了小π。为了找回自信，给朋友们介绍一款软件——PiFlow，下面是多体分离的一个例子，操作简单，不再为划分网格烦恼，不再为找不到UDF资料而苦恼，即可得到正确结果，和小π一起去看看吧！！！
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算例说明
PiFlow实时轨迹计算模块主要是利用CFD方法获取某一时刻的气动力和气动力矩，并将其传递到刚体六自由度中的运动学方程以获取飞行器对气动力的响应，再通过刚体运动学方程计算出下一时刻的运动姿态，根据这些信息调整网格，进行下一时刻的CFD计算以获取新的气动力，重复以上耦合过程，最终得到分离轨迹。
选用AEDC外挂物投放标模作为算例求解多体分离问题，研究模型及网格参数界面展示如图1所示。计算区域为模型特征长度的8倍的立方体区域，初始位置网格量127万，初始切片网格如图2所示。边界条件四周为压力远场，物面使用滑移边界。计算物理模型使用Euler无粘模型计算气动力。流体为空气（理想气体模型），比热容比1.4，气体常数为287.87 J/kg*K。导弹分离的物性参数如图3所示。
图 1 数模及网格参数界面示意图
图 2初始切片网格示意图
图3 算例参数配置
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算例结果
轨迹计算导弹不同位置压力分布如图4所示。实时计算的轨迹如图5所示。质心位移随时间的变化曲线和姿态角随时间变化曲线、质心速度随时间变化曲线与AEDC实验曲线对比如图6，图7，图8所示。
图 4导弹不同位置的压力分布云图
图 5 实时轨迹与实验轨迹对比图（灰色实验轨迹）
图 6 质心位移与实验对比（实线为实验值）
图 7 姿态角与实验对比（实线为实验值）
图 8 质心速度与实验对比（实线为实验值）
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结论
AEDS仿真与实验曲线吻合较好，验证了PiFlow多体分离计算方法的正确性。也给想要做飞行器多体分离的朋友们提供了捷径，PiFlow可以帮助我们做想做不敢做的仿真，瓜代有期。
