计算流体动力学软件GDT

GDT是一个应用于工程模拟和科学研究的高级计算流体动力学软件，该软件已成功应用于求解复杂的航天、国防、军工和其他工业，ＧＤＴ可以求解其动力，燃烧和爆炸问题，包括流过大范围边界条件和复杂的几何形状区域的二维、三维瞬态亚音速、跨音速和超音速粘性气流，扩散和热传导的流动，化学反应流和周期变化的能量源项（例如，激光发射）

主要应用

冲击波表面交互作用

楔形

楔形冲击波衍射是多种物理现象，常规和非常规楔形反射作用，形成两个三倍点，与边界层相互作用和一个复杂的气体动态破碎，这些也只是许多交互现象中的一部份，分析他们对实际工作很重要，例如连续介质力学

这个有趣的问题的求解通过GDT验证，计算结果和试验结果得到很好的一致性。

角度

    图为采用GDT和黑白照片对一个右倾角冲击波衍射的二次密度变化分布，该图片显示了该现象的主要原因：减速波，下面边的涡，排风扇的第一和最终特性，接触区域和滑行线，软件正确显示了跨度范围和变化的形状，同时显示了他们的长度

图片模拟了更低强度的冲击波衍射过程，波的ｍａｃｈ＝１．５，与实验一致，没有产生减速波，流动形成典型的螺旋结构。上述描述的问题已经在３维状态下求解，结果如图所示：

流固耦合作用

图片显示了流固耦合的计算效果，借助于实验可视方法，这类流动相对易于研究，通常认为用它来测试计算方法的效率是可信的，图为通过一系列障碍物的爆炸冲击波的传输过程的黑白照片拍摄和数值计算结果比较，除了流动域中的微图和高梯度区域，涡和其他非线性形状，程序确保了破碎层的一致性，这证明所有空气动力学参数和他们的动态发展定律的空间分布，黑白照片提供的不是关于自身密度分布的信息，而是关于自身分布的破碎层信息，因此，他可以明确地对比出实验得到的数据和绝对密度便宜的计算结果：

通道

   冲击波在一个平滑隧道中的传播，右图为干涉图，左边的是通过ＧＤＴ软件得到计算结果，密度等值线以为这颜色对应水平速度分量的值，红色对应值为０，紫色对应于最大值超生波流过目标。

物体周围的超声速流动

旋转体周围的超音速空气流动

    左边的图显示了针形头周围气流以2mach流速流动时数值计算的结果（密度分布采用256倍灰度显示），右图为暗线摄影所拍照片

对比两图，可知计算结果和试验数据一致性非常令人满意的，可压波层分布，他们的几何结构和长度完全适合

能量和流动控制源

流动的有效功可以用于不同方面，例如，激光散射的聚焦，流束喷射，电场放电等

有效功可以严重影响流动特性，而流动特性又反过来引起目标物体的气动力的重大改变，如：阻力和升力。能量源这一特点潜在的意味着可以被用来控制飞行器的载荷和飞行控制，动画所示为在周期能量源的作用下物体在超声波中移动的压力分布，前端圆柱体前表面和有效功施加过程后的压力差可以明显看到，这种情况下，有效能量源所起的作用就像一个尖锐物体的前尖，可以大幅降低阻力系数

火箭和导弹部件的稳态气流过程

    火箭和导弹在外弹道阶段的推动力主要有这些物体的气动力特性决定，分离效果，湍流和很多其他物理现象使得气动力学特性的定义成为目前最困难和最具压力的问题。

图中所示为导弹稳定器周围的超声气流场的模拟结果，稳定器采用曲线形状代表，问题设置采用完全3维稳态问题模型

金属火药燃烧

一个单元混合物的过分加热至燃烧曲线

以上为含铝颗粒的燃料-空气混合物在波前发生二次铝氧化过程后的爆炸，为了证实波前爆炸后的铝颗粒效果描述的充分性，GDT软件工作组已经解决了燃料-空气混合物燃烧产物中铝燃烧完全的问题。

出于这种目的，计算采用一个铝颗粒含量β = 0,1276直径d0 = 5微米的乙炔-空气混合物模型，燃料-空气混合物的初始压力等于pi = 0,365 MPa（3.6个大气压），相应的初始温度Ti = 1037K，在这样的温度下，燃料-空气混合物开始燃烧，随着它们的并发的点火和燃烧最终完成了完全的气体燃料的氧化和铝粒子的加热

D乙炔-铝混合的爆炸图表

我们已经解决了按化学计量组成的乙炔-空气混合物的爆炸过程，包括悬浮的直径d0 = 5·10-6м、质量分量β = 0,127的铝火药，这样的铝含量在空气-煤气混合物爆炸产物中荡然无存，分配的初始粒径可以以单速度近似

很明显的两个波峰形状前面是气体燃料在反应，后面试铝粒子燃烧的结果

燃料-空气爆炸

形成紧急时间有很多原因，首先，是火灾安全和居民区和工业建筑防爆，其次，是冲击波对人的影响，在超越了一定的过压标准的时候，这些影响可能导致听力破坏，身体组织受伤甚至死亡，另一个重要因素是反恐，现在犹很多火药库，核废弃物堆和细菌武器储备，一方面需要有一个爆炸载荷对储备空间建筑单元的影响的评估，以便设计足够的强度特性（此时只能采用气体动力学的方法做），另一方面，一个低容量的冲击可以致残恐怖分子，后面这种情况，爆炸应该大到阻止恐怖分子的行动，但同时不能破坏存储容器或激活爆炸

标准建筑里的气体爆炸

对真实尺寸的物体成功进行了数值模拟，设置好充入厨房的氢氧混合物爆炸的理想模型，图中所示为的密度梯度场计算结果，与同一时间点的所做的实验的放射过程形状对比

建筑物内燃料-空气爆炸

建筑物内燃料-空气爆炸的压力分布计算结果

星形爆炸源在建筑物附近爆炸

为了分析在人为的灾难和恐怖行动的爆炸冲击作用下建筑物的抗冲击度，开展了数值试验和计算调研，作为一个这样的计算实例，在GDT的帮助下，我们提供了建筑物周围星形爆炸源爆炸的计算结果，Courtesy of Dr. M.R. Baer, Sandia National Laboratories, USA.

高能炸药

高能炸药的爆炸对于国防和市政应用都具有实际的重要性，它模拟爆炸过程的能力不仅能增加炸药装药的效率，而且能确保节省材料，某种装药形状可以大大加强浓缩炸药的脱粒行为，同时气体聚积效果可以大幅增加某个流体单元的速度，也可以用于实际目的。

三维装药的爆炸

 在高能炸药装药上的爆炸波传输

飞机周围的高能炸药非同步爆炸

在设计战斗机时，评估机身对近处爆炸（例如，防空火炮的开火）的结构抗破坏性非常重要。

在A-10地面攻击飞机周围的一系列非同步爆炸模拟钟采用GDT软件确定了时间压力的关系

房间破坏

模拟在破坏性的房间里的弹药处置过程，房间由装有弹药的隔间和外面空间组成，图示为压力分布

穿过避难所的冲击波

在恐怖袭击、自然和人为灾难种确保人的安全的问题已经得到了越来越多的重视，尤其重要的是能够评估冲击载荷量级、安全障碍的建筑单元上的载荷力度、人体在不同几何形状和人与爆炸源之间距离的影响

炮兵系统

枪口刹

枪口刹设计目的是在开炮时减少后座力动量，有大量的枪口刹设计，通常，枪口刹有一到几个腔室组成，在那里枪药气体扩大/膨胀并流出气口，产生牵引力反过来也减少反弹力。

模拟一个上带枪口刹的桶的发射和分离过程，可以定义下列重要的枪炮特性：

1. 枪口刹牵引力大小

2. 火药气体的压力和温度，发射推进力

3. 爆炸波对炮兵系统和炮手的影响

4. 开火时爆炸释放的强度

5. 发射场中悬浮材料密度和烟雾的形成

枪药气体流过枪口刹时压力公布

在炮击时枪药气体对坦克的影响

坦克火炮的发射必须保证火药气体在高压下从炮膛中流出，GDT软件包可以确定这些气体的从炮膛出口派出时的压力和温度怎么随着时间变化，这可能解决如下问题：

1. 评估装甲外面安装的设备的可能的破坏

2. 评估人员在炮击时距离坦克的最小安全距离

速射炮

提供速射炮工作中的弹药气体压力分布

消声器

 炮口消声器是一个设计用来减少炮击产生的空气爆炸波的强度的装置，常规上，他是一个阻碍系统——几个环形的打孔板、挡瓦、一个缠绕在打孔板的网眼等，炮口消声器用于发炮时减少噪声等级，他减少攻击地点被敌人发现的可能性

我们提供了不同类型消声器的二维和三维计算结果

空发

大部分弹道过程（特别是余波阶段和中间弹道学）产生的复杂形状的流体由：冲击波、接触爆炸、幔波、涡和其他非线形形成波组成。

由于软件经常用于与瞬态高梯度流体流动相关的问题，就产生了对那一级流动进行测试的需求，途中所示为一个超声流消失的过程的初始状态的渐变照片和数值试验的结果比较（第一密度派生），你可以清楚地看到后面的压缩波这个很难模拟的现象。

周期结构的形成

火箭系统

导弹发射会使流体和周围障碍物之间承受一个猛烈的相互作用，可能会引起发射台或导弹的燃烧和破坏，这一点使得解决此类问题非常紧迫

多管火箭发射系统MLRS发射导弹

图为MLRS在发射导弹过程中的压力分布求解，导弹脱离导引包，燃料主导的燃烧产物的分布影响发射器，可能导致结构破坏，计算可以确定暴露给热和强度的最严重的位置

运输火箭从发射垫上起飞

左图所示为发射质子喷气运输机是火箭推动燃烧产物分量的分布，右图为发射点发射的四头导弹的初始状态压力分布

级间分离

图为火箭级间分离的模拟时绝热指数的分布

生态学

能够预测大气中的污染物扩散是其另一重要目标，确保能够事先提醒人们事故的发生或工业事故，燃气管失效，核电站事故等，这时，污染物密度可用来表示有毒气体的密度等级，辐射等级或能够点火或爆炸的燃烧气体的最小的浓度，通常情况下，这种现象是一个非稳态的单位过程，GDT工具可以计算在多组分气体系统中的三维非稳态过程，然而，考虑到污染和散发气体通常都会比空气重并且在一个临近地面相对小的区域内扩散这一事实，采用准三维模型或平面模型模拟这一过程更加高效。

瞬时爆炸

这种情况意味着短时间内的扩散（例如，装氯的油罐，短时间内的天然气管道泄漏等）上图为居民区旁边的冲击后连续时间点上的重气体浓度扩散图，初始时刻，所有的气体聚集在可数区域的左下角，风定向对右上角吹，建筑物和结构用块体描述。

下图为一个带反应气体近似过程，这个在一定时间段内的燃料泄漏过程，然后点火，在动画里可以清楚地看到在爆炸波中燃料燃尽，显示燃料密度随时间和空间的变化

城市交通空气污染

交通是另一个需要考虑的城市污染源，它对生活和工作在道路附近的人的健康不利，因此，估计道路周围的污染物密度很有意义，如图为图拉市列宁路段的计算结果。

卡门涡阶效果

绕体流动经常会衍生出一个周期流动，即卡门轨迹。为在少量区域边界上计算这个现象，我们引进两个绝热指数与主气流相差不大的气流源，这样可以看到流动和涡的生成及传播，这里的李东速度为100m/s

软件优势

　　极高的计算速度：在四个intel Itanium2 1.5 GHz的CPU上计算128000000个3D单元的区域需要31秒，而在16节点的Cluster上计算96000000个3D单元的区域需要39秒

高效的内存使用：每多1GB计算机RAM可以增加25000000个3D单元

支持64位处理器：用户可以直接在桌面上分析大量和耗时的问题

高性能并行计算，支持Win32，Linux，Solaris操作系统

高处理器利用率：对于双处理器的PC这个系数可达到0.96-0.98

友好的用户界面，甚至初学者都可以快速高效的求解复杂的气体动力学问题

GDT可以完全跨平台，完全支持整个的操作系统和微处理器的系列，由于整个现在的操作系统和引导供应商的微处理器系列得到支持，这个软件支持不同的现在cluster集群互联（Gigabit Ethernet, Myrinet, InfiniBand, SCI）并在不同的SMP和NUMA平台上运行良好

混合技术

为了简化那些习惯于个人机的用户在并行系统上的工作过程，GDT软件开发组已经实现了GDT软件的Windows-Unix混合技术

软件已经分为两个部分，当用户在Windows操作系统下启动图形用户界面和SVR浏览器的时候，计算部分会自动在UNIX 机群上启动，这里的自动意味着，用户只在PC的图形用户界面工作，而所有的与机群命令行，批处理交互相关的工作都由用户不能识别的独特的脚本语言去做

这个工作策略自身证明非常有用，也是有很大需求的，它证实了用户更喜欢简单的界面而不需要弄清楚所有的集群交互细节