CART3D

CART3D在NASA 研究中心，美軍研究機構，航空航天工業公司都得到了成功的應用，也因此榮獲了NASA2002年度軟件大獎。

特色功能

CART3D區別於其他所有CFD程序的最重要的特徵就是“快”，程序中無處不體現此特點；

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專注於氣動分析，整體氣動升阻力及力矩計算和六自由度投擲分析；

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核心技術由NASA Ames 研究中心開發，充分體現權威性；

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

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基於部件的表面處理，使各部件可以單獨移動旋轉，程序自動確定部件之間的相交併提出模擬的外部濕表面；

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空間網格自動生成，對錶面描述的複雜性不敏感；

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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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並行效率優異，並行加速與CPU數目成近似直線關係；

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適合多攻角，多馬赫數，多側滑角批處理計算，方便生成氣動數據庫。

CART3D的成功應用案例

哥倫比亞號航天飛機絕熱泡沫碎片脱落軌跡分析；

導彈流場分析；

超音速飛行器網格及壓力分佈；

C-17，F-15，F-16無人飛行器流場分析；

油箱大小的電磁計算分析；

航空內燃機設計分析；

汽車通風系統設計分析

具體來説，Cart3D有如下特點：

Cart3D 幾何體建模採用基於部件的方法，導入Cart3D 的幾何體由所有部件的集合構成，每個部件都作為獨立實體，可以單獨移動、旋轉，只要求每一個部件是一個封閉的幾何面即可。每個部件的表面網格單獨創建，各部件之間可以有交叉，交叉部分由Cart3D 自動求交，構成單一的飛行器表面網格，求交運算採用一系列經證實的計算幾何學和計算機圖形學的強壯算法。基於部件方法的好處在於建模簡單快速，同時符合飛行器部件設計的規律。每一複雜外形的飛行器佈局可以拆為若干個簡單的部件（如機身、機翼等），對部件單獨建模，並單獨創建表面網格，最後由Cart3D 自動將部件的表面網格求並集，組合為完整佈局的表面網格。這一方法除了使建模快速以外，也使研究部件參數變動異常方便，如調整操縱面偏角或改變機翼外形時，只需變動操縱面或機翼的表面網格，而不用變動其它部件的表面網格。各部件的幾何體可以通過ICEM CFD 建立，也可有一般的CAD 軟件創建後導入ICEM CFD，由ICEM CFD 劃分表面三角形網格。基於ICEM CFD 強大的CAD 接口能力，幾乎可以導入所有格式CAD 文件。

網格劃分通常會佔到CFD計算工作量的60%以上，且一般需要專職的隊伍，因而網格生成方法一直是CFD應用的關鍵技術之一。Cart3D採用獨特的自適應笛卡兒體網格作為求解的基礎，使網格建立變得簡單快速，不需要網格劃分技巧的，只需簡單設置幾個參數，系統會基於部件表面網格，自動生成空間笛卡兒網格，並根據加密參數在表面附近自動加密。強壯的體網格生成算法使用自適應細化笛卡爾網格來捕捉模型的細節，且自適應求解網格可以隨求解得到進一步改善。體網格劃分速度快，數百萬的網格在台式機上幾分鐘即可生成。網格生成難度對錶面描述的複雜性不敏感，因此可以自動處理複雜問題的空間網格，不需要用户的干預。

Cart3D求解器基於可壓縮Euler方程，適用於亞、跨、超音速流動分析。其採用有限體積法離散，流動變量位於網格單元的中心。時間離散使用龍格庫塔法，通過時間推進得到穩態解。空間離散為迎風格式，使用限制器，格式具有TVD性質。通量函數和限制器可選。為加速收斂，Cart3D使用多重網格法來加速迭代過程。

Cart3D壓力積分模塊可從計算結果中快速提取全機和任一部件的升力、阻力，俯仰、滾轉力矩等氣動參數，並分別以風軸和體軸系給出。同時可給出任一部件、部件組，關於任一點、線的力矩。

計算結果的流場後處理可以使用ICEM CFD的後處理模塊，也可以輸出到其它多種後處理軟件中，給出流場分佈信息。

基於分區算法，Cart3D 可用於並行計算，使用64 個處理器並行計算，其加速比可達60以上。Cart3D 可自動進行分區網格劃分，用户只需設置參數。

概念和初步設計階段，除了佈局方案多以外，每個方案需要計算的狀態也是大量的。Cart3D 以快速求解為基礎，針對多狀態求解，專門提供的批處理計算功能。用户可預先設置一系列需計算的狀態參數（如迎角、馬赫數等），Cart3D 可自動依次求解所用流動狀態，並自動給出所有氣動力數據，形成氣動數據庫，來支持預研設計和方案篩選。

針對飛行器外掛物和導彈投放等運動物模擬，Cart3D 提供了六自由度剛體和流體耦合模塊，其獨特的笛卡兒網格系統可方便的採用動網格技術。用户可指定需運動的部件，設置其幾何和運動參數、運動起止時間及時間間隔，Cart3D 會自動求出每一時間步的流場信息及部件的運動軌跡，實現運動模擬。基於以上特點可見，Cart3D作為快速氣動預研軟件，是飛行器概念和初步設計階段的有力工具，其在航空航天領域的應用也必將越來越廣泛。