PiFlow计算精度验证
往期回顾：
前 言
Introduction
本期以弹丸空气动力学为主题，模拟弹丸在2.4马赫工况下弹体周围流场，利用自研笛卡尔软件PiFlow求解。为验证PiFlow求解精度，利用Fluent和STAR CCM+解算弹体同一工况，对比计算结果。
Case Background
# Case Background #
在质点弹道学中，弹丸在飞行过程中的阻力主要有三种，摩擦阻力、涡流阻力和波动阻力，而其中占总阻大部分是涡流阻力和波动阻力，因此减小这两种阻力就成了减小弹丸空气阻力的首要目标。普通弹丸外轮廓采用流线形，弹丸外形不会突然改变，俗称“枣核弹”，将空气沿着弹体表面引入弹丸底部，可以减小压差。在后续弹丸结构优化中，另外一种方法是在底部增加一个排放气体的装置，来增大弹丸底部的压强，减小压差，这就是我们常见的底排增程弹。但是增加排气装置相对复杂，设计人员另辟蹊径，将弹丸设计成通孔，可将一部分气流引入弹丸底部，仍可达到一种类似于底排弹的效果，达到减小低阻的目的。
Geometric Shape
普通弹丸和空心弹丸外形分别如下图所示，相关尺寸参数参考1857年英国人Whitworth提出的空心弹物理模型。
图1 弹丸CAD外形
Grid Parameters
三个软件计算均采用笛卡尔网格，求解欧拉方程。网格划分利用PiFlow笛卡尔网格解算器软件，全自动笛卡尔网格生成用时1分43s，网格参数如图2所示，网格单元数量为2891639，划分完切面网格效果如图3所示：
图2 网格参数设置
图3 Z方向切面网格
Calculation Conditions
案例计算普通弹丸和空心弹丸在2.4马赫工况下弹体周围流场分布情况，具体计算条件如下表所示:
验证求解器软件PiFlow精度
Projectile Flight Resistance
PiFlow、Fluent及STAR CCM+弹丸阻力计算结果统计如下表：
假定以Fluent计算结果为标准，普通弹丸阻力PiFlow和STAR CCM+计算误差分别为3.95%和2.64%，空心弹丸阻力PiFlow和STAR CCM+计算误差分别为2.74%和6.25%，在误差允许范围内，满足计算结果验证标准。在外弹道上空心弹丸的优点是显而易见的，相比较于普通弹丸，空心弹丸内部为开孔设计，其重量更轻，可有效减小其表面与空气之间的接触面积，从而降低了空气阻力，这使得空心弹丸在飞行过程中具有更高的速度和更远的射程。
Contour Plot Comparison
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弹丸流场速度云图
PiFlow速度云图
Fluent速度云图
STAR CCM+速度云图
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弹丸流场压力云图
PiFlow压力云图
Fluent压力云图
STAR CCM+压力云图
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弹丸流场马赫数云图
PiFlow马赫数云图
Fluent马赫数云图
STAR CCM+马赫数云图
结 论
Conclusion
通过弹丸空气动力学流场案例，得到如下结论：
1. PiFlow和商用软件Fluent、STAR CCM+计算的弹丸飞行阻力参数数据吻合度较好，两种弹形误差不超过5%，弹丸飞行阻力参数满足精度要求;
2. 从速度云图、压力云图、马赫数云图三个维度分析，云图分布大体一致，均可较好捕捉到弹丸周围流场空间的流动细节，证明PiFlow有较好的解算精度。
3. 在计算效率上，PiFlow的GPU加速求解速度优势明显。采用3070 GPU解算，迭代100步完成收敛，耗时约3分半。而同一弹体工况采用10核CPU计算，PiFlow迭代100步完成收敛，耗时约7分钟，Fluent和STAR CCM+基本约迭代120步完成收敛，耗时约8分钟。
Ending
#Ending #
Fluent、STAR CCM+和Tecplot作为业界杰出的软件，是我们学习的标杆。这些软件的成功故事启发着我们，激发了我们在PiFlow等相对新兴的国产自研软件上进行不懈努力的决心。
随着科技的不断发展，我们明白到持续改进和创新是软件领域的核心。正因如此，我们必须不断地对PiFlow进行功能的优化和迭代，以确保它们能够与业界的佼佼者相媲美，甚至更进一步。
透过不懈的努力、改进和完善，我们期待着PiFlow在未来的新版本中带来更多的创新和性能提升，为用户提供更出色的体验。
