气动力及弹道计算软件MGFPI软件参数定义及受力分析
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气动力及弹道计算软件
MGFPI 使用手册
北京理工大学
徐劲祥
xjx@bit.edu.cn 2001 年 8 月
第一章
简
介
MGFPI 是美国 AEA Technology 公司开发的飞行器气动力及弹道 计算软件，采用 FORTRAN 77 语言开发。内嵌两个计算模块—— MGAERO+FPI。其中的 MGAERO 通过求解空间流场的 Euler 方程，可计 算任意飞行器的亚、 跨、 超音速内外流气动特性。 其主要技术特征为： 1、 笛卡尔网格技术
MGAERO 在低马赫数时启用低马赫数修正算法， 因此可在 Ma<0.3 时保持优良的收敛性。 6、 MGAERO 的粘性计算（MGFPI 中没有）
MGAERO 层流边界层计算采用 Cohen 和 Reshotko 方法，边界层 转换计算采用 Granville 方法，湍流边界层计算采用 Green 方 法。通过粘性耦合计算，MGAERO 可以获得表面摩阻、边界层分 离位置等，这些特性可进一步用于指导外形的优化设计，以获 得无边界层分离的物面外形，如进气道的型面设计。 7、 包含发动机动力舱模型
提高网格的经济性，仅在局部区域采用细网格，有助于在 不降低精度的情况下减少总体网格数量。 在流场平滑的区域采用粗网格，在流场变化剧烈的区域采 用细网格，层层加密的局部网格为研究流场细节提供了有 效手段。 适合在求解过程中采用多重网格加速算法 3、 全参数化
部件几何外形定义参数化
部件关系参数化 飞行条件参数化 4源自文库 采用多种求解加速手段
MGAERO 采用的网格技术从本质上简化了外形优化问题， 当需要 改变个部件的相对位置时，仅需改变各部件的相对位置参数， 不需要重建几何，也不需要重建网格。MGAERO 在定义几何外形 时，自动剔除物面内网格节点，自动布尔装配各部件，提高了 运算速度，并可获得一致的高阶差分精度。 2、 使用局部嵌套的多重网格
动画显示非定常计算结果 显示贴体和脱体流线，用颜色显示流线和边界层属性 基于鼠标的即点即显示各点几何、流场参数的姨秸胗功能 二维截面数据显示 显示任意截面上任意物理量的彩云图和任意物理量-空间分布曲 线（如 Cp-X） ，截面可随鼠标动态移动 显示求解参数-时间变化曲线 在二维平面上显示流线和边界层参数 在指定的参考系中绘制截面 计算特定轴系的载荷 实验数据/计算数据对比 可从单独文件中接受实验数据 显示几何体特定位置处的实验数据 在二维截面上的彩色云图或 X-Y 曲线中显示实验数据 提供特殊设计的图形工具以比较实验数据和计算数据 数据分析 任何面元组上的载荷计算 载荷-时间或载荷-求解参数（CL-α）曲线的计算和绘制
第二章 软件参数定义
MGAERO 中参数对照表 CD---- Drag coefficient of section in wind axis system, (D/(q* REFAREA)) 阻力系数（风轴） CE----Entrainment Coefficient 卷吸系数（风轴） Cs---- Side force coefficient of section in wind axis system 侧向力系数（风轴） CsFD---- Skin friction drag coefficient of section in wind axis system （有粘）表面摩阻系数（风轴） CMX---- Rolling moment coefficient of section relative to input moment reference point 滚转力矩系数 CMY---- Pitching moment coefficient of section relative to input moment reference point 俯仰力矩系数 CMZ---- Yawing moment coefficient of section relative to input moment reference point 偏航力矩系数 CFX – Drag coefficient of section in body axis system.阻力系数（体轴） CFY – Side force coefficient of section in body axis system 侧向力系数（体轴） CFZ – Lift coefficient of section in body axis system 升力系数（体轴） Vx，Vy，Vz---速度在大地坐标中的分量 PHI---弹体滚转角 MACH---马赫数 BLSIG---（有粘）边界层 VR---法向速度 Warp---几何表面维 Patch---面元 CL-----Lift coefficient of section in wind axis system 升力系数 Cf----Skin Friction Coefficient 摩阻系数 Cl----Airfoil Lift Coefficient 翼型升力系数（剖面） Cp----Pressure Coefficient 压力系数 c----Speed of Sound 声速 C----The Airfoil Chord Length 弦长（翼型） D----Dummy Point 虚拟点 Dh----Dissipation Vector Term, in the Discretized Euler Equation 离散化欧拉方程中的耗散矢量项 E,Eh----Euler Spatial Vector Operator, Continuous and Discretized 欧拉空间矢量算子
当地时间步长：根据当地对流输运时间尺度决定当地时间 推进步长 多重网格算法：基于求解误差与网格尺度相关性理论 残差光顺算法 求解加速算法不仅使 MGAERO 求解流场的速度大大提高，而且 可以获得很好的鲁棒性（Robust） ，这对于优化气动设计以及 计算运动问题至关重要。 5、 低马赫数算法
可计算发动机喷流与伴随来流的相互影响、发动机喷流对机身 的影响、全机动力特性等。
FPI 模块通过求解六自由度轨迹方程自动改变各子网格区域之间 以及相对主网格区域的位置和姿态， 同时由于子网格始终与运动构件 同步，在计算气动结构每一时刻气动干扰时可以保证一致精度。可输 入的外力包括重力、浮力、推力（如导弹的发动机推力） 、弹射力（如 两点悬挂弹射） ，可以是定值或时间序列变量。并可输出任意形状飞 行器的位置-时间历程、角度-时间历程、速度-时间历程及角速度时间历程。在计算问题时可以加入自动驾驶功能，通过 FPI 的自动驾 驶接口（USER FORTRAN） ，用户可以使用接口传递的飞行状态参数（加 速度、速度、位置等） ，经过控制回路计算出飞行器舵面偏转，并通 过接口传递回 FPI，从而构成大闭环回路，用于模拟制导、自动驾驶 过程。 OMNI3D 是用于 MGFPI 后处理的交互式三维数据可视化图形软件，包 括三维流场数据显示、二维截面数据显示、实验数据/计算数据对比 和数据分析四个主要功能： 三维流场数据显示 用高质量着色图或线框图显示几何体和尾迹 用精巧的颜色匹配显示几何体上的计算和实验数据 以线框、色带、截面或透明表面的方式显示尾迹，以颜色代表尾 迹强度 显示表面压力、速度、马赫数或其他任何物理量的等值线 以鼠标实时操纵屏幕图形旋转或移动以便观察
MGFPI 使用手册
北京理工大学
徐劲祥
xjx@bit.edu.cn 2001 年 8 月
第一章
简
介
MGFPI 是美国 AEA Technology 公司开发的飞行器气动力及弹道 计算软件，采用 FORTRAN 77 语言开发。内嵌两个计算模块—— MGAERO+FPI。其中的 MGAERO 通过求解空间流场的 Euler 方程，可计 算任意飞行器的亚、 跨、 超音速内外流气动特性。 其主要技术特征为： 1、 笛卡尔网格技术
MGAERO 在低马赫数时启用低马赫数修正算法， 因此可在 Ma<0.3 时保持优良的收敛性。 6、 MGAERO 的粘性计算（MGFPI 中没有）
MGAERO 层流边界层计算采用 Cohen 和 Reshotko 方法，边界层 转换计算采用 Granville 方法，湍流边界层计算采用 Green 方 法。通过粘性耦合计算，MGAERO 可以获得表面摩阻、边界层分 离位置等，这些特性可进一步用于指导外形的优化设计，以获 得无边界层分离的物面外形，如进气道的型面设计。 7、 包含发动机动力舱模型
提高网格的经济性，仅在局部区域采用细网格，有助于在 不降低精度的情况下减少总体网格数量。 在流场平滑的区域采用粗网格，在流场变化剧烈的区域采 用细网格，层层加密的局部网格为研究流场细节提供了有 效手段。 适合在求解过程中采用多重网格加速算法 3、 全参数化
部件几何外形定义参数化
部件关系参数化 飞行条件参数化 4源自文库 采用多种求解加速手段
MGAERO 采用的网格技术从本质上简化了外形优化问题， 当需要 改变个部件的相对位置时，仅需改变各部件的相对位置参数， 不需要重建几何，也不需要重建网格。MGAERO 在定义几何外形 时，自动剔除物面内网格节点，自动布尔装配各部件，提高了 运算速度，并可获得一致的高阶差分精度。 2、 使用局部嵌套的多重网格
动画显示非定常计算结果 显示贴体和脱体流线，用颜色显示流线和边界层属性 基于鼠标的即点即显示各点几何、流场参数的姨秸胗功能 二维截面数据显示 显示任意截面上任意物理量的彩云图和任意物理量-空间分布曲 线（如 Cp-X） ，截面可随鼠标动态移动 显示求解参数-时间变化曲线 在二维平面上显示流线和边界层参数 在指定的参考系中绘制截面 计算特定轴系的载荷 实验数据/计算数据对比 可从单独文件中接受实验数据 显示几何体特定位置处的实验数据 在二维截面上的彩色云图或 X-Y 曲线中显示实验数据 提供特殊设计的图形工具以比较实验数据和计算数据 数据分析 任何面元组上的载荷计算 载荷-时间或载荷-求解参数（CL-α）曲线的计算和绘制
第二章 软件参数定义
MGAERO 中参数对照表 CD---- Drag coefficient of section in wind axis system, (D/(q* REFAREA)) 阻力系数（风轴） CE----Entrainment Coefficient 卷吸系数（风轴） Cs---- Side force coefficient of section in wind axis system 侧向力系数（风轴） CsFD---- Skin friction drag coefficient of section in wind axis system （有粘）表面摩阻系数（风轴） CMX---- Rolling moment coefficient of section relative to input moment reference point 滚转力矩系数 CMY---- Pitching moment coefficient of section relative to input moment reference point 俯仰力矩系数 CMZ---- Yawing moment coefficient of section relative to input moment reference point 偏航力矩系数 CFX – Drag coefficient of section in body axis system.阻力系数（体轴） CFY – Side force coefficient of section in body axis system 侧向力系数（体轴） CFZ – Lift coefficient of section in body axis system 升力系数（体轴） Vx，Vy，Vz---速度在大地坐标中的分量 PHI---弹体滚转角 MACH---马赫数 BLSIG---（有粘）边界层 VR---法向速度 Warp---几何表面维 Patch---面元 CL-----Lift coefficient of section in wind axis system 升力系数 Cf----Skin Friction Coefficient 摩阻系数 Cl----Airfoil Lift Coefficient 翼型升力系数（剖面） Cp----Pressure Coefficient 压力系数 c----Speed of Sound 声速 C----The Airfoil Chord Length 弦长（翼型） D----Dummy Point 虚拟点 Dh----Dissipation Vector Term, in the Discretized Euler Equation 离散化欧拉方程中的耗散矢量项 E,Eh----Euler Spatial Vector Operator, Continuous and Discretized 欧拉空间矢量算子
当地时间步长：根据当地对流输运时间尺度决定当地时间 推进步长 多重网格算法：基于求解误差与网格尺度相关性理论 残差光顺算法 求解加速算法不仅使 MGAERO 求解流场的速度大大提高，而且 可以获得很好的鲁棒性（Robust） ，这对于优化气动设计以及 计算运动问题至关重要。 5、 低马赫数算法
可计算发动机喷流与伴随来流的相互影响、发动机喷流对机身 的影响、全机动力特性等。
FPI 模块通过求解六自由度轨迹方程自动改变各子网格区域之间 以及相对主网格区域的位置和姿态， 同时由于子网格始终与运动构件 同步，在计算气动结构每一时刻气动干扰时可以保证一致精度。可输 入的外力包括重力、浮力、推力（如导弹的发动机推力） 、弹射力（如 两点悬挂弹射） ，可以是定值或时间序列变量。并可输出任意形状飞 行器的位置-时间历程、角度-时间历程、速度-时间历程及角速度时间历程。在计算问题时可以加入自动驾驶功能，通过 FPI 的自动驾 驶接口（USER FORTRAN） ，用户可以使用接口传递的飞行状态参数（加 速度、速度、位置等） ，经过控制回路计算出飞行器舵面偏转，并通 过接口传递回 FPI，从而构成大闭环回路，用于模拟制导、自动驾驶 过程。 OMNI3D 是用于 MGFPI 后处理的交互式三维数据可视化图形软件，包 括三维流场数据显示、二维截面数据显示、实验数据/计算数据对比 和数据分析四个主要功能： 三维流场数据显示 用高质量着色图或线框图显示几何体和尾迹 用精巧的颜色匹配显示几何体上的计算和实验数据 以线框、色带、截面或透明表面的方式显示尾迹，以颜色代表尾 迹强度 显示表面压力、速度、马赫数或其他任何物理量的等值线 以鼠标实时操纵屏幕图形旋转或移动以便观察