基于FLUENT的虛擬風洞實驗系統

曾 亮， 鄒 強， 朱旭程

(海軍航空工程學院 飛行器工程系，山東 煙臺 264001)

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基于FLUENT的虛擬風洞實驗系統

曾 亮， 鄒 強， 朱旭程

(海軍航空工程學院 飛行器工程系，山東 煙臺 264001)

為了解決真實風洞實驗存在的效率低、設計性差、數據處理難等問題，提出了一種虛擬實驗平臺開發方案。在虛擬實驗領域引入了有限元數值仿真軟件FLUENT，使用C#編程語言構建虛擬風洞實驗系統軟件。該系統基于實驗室局域網，分為服務端和客戶端。服務端使用高性能計算服務器，服務端軟件的核心功能是統籌分配計算資源，并采用TUI方式讀入Journal文件調用FLUENT軟件進行計算。客戶端的核心功能是根據學員輸入數據在Journal文件模板基礎上生成Journal文件并提交給服務端，在服務端計算完畢后可調用TecPlot讀入結果文件，進行試驗結果分析，并協助學員完成實驗報告。

虛擬實驗； FLUENT； 教學； 風洞

0 引 言

實驗教學對于學員科學知識的系統掌握、實踐能力的提升和科學素質培養等方面具有不可替代的作用[1]。隨著計算機軟硬件技術的迅速發展，虛擬實驗這種新興的實驗手段也得到了廣泛應用。一般認為，虛擬實驗相比真實實驗具有經濟性、安全性、開放性、交互性等特點，并且能夠用很短的時間完成需要很長時間才能完成的真實實驗(如巖石蠕變實驗)，以及宏觀、微觀實驗(如核聚變實驗)。當然，虛擬實驗也存在著弱化了實驗的直觀性等問題，并且虛擬實驗的基礎是真實實驗，不符合真實實驗的虛擬實驗都是沒有實際教學意義的[2]。

HY-750低速風洞實驗室自1999年建成使用以來，在教學科研方面發揮了重大作用[3-4]，是我院“空氣動力學”“飛行原理”“氣體動力學”“導彈飛行力學”等多門主干課程實驗所必需的實驗平臺，目前開設的實驗項目有：翼型表面壓力分布實驗、飛行器表面渦分布實驗、飛行器測力實驗等[5]。

但一方面該低速風洞已經使用了15年，動力系統老化、電子器件老化致使故障頻發，嚴重影響了教學實施；另一方面，實驗模型、顯示設備和測控系統過于偏重演示實驗，實驗數據獲取、處理不夠方便；另一方面，實驗難以滿足1人1組的實驗要求，學員僅能按照實驗指導書的步驟要求完成實驗任務，觀察實際已知的結果現象，難以進行設計性實驗。以上因素導致實驗效果大大降低，與“向實戰聚焦，向部隊靠攏”的教學改革工作要求具有較大差距[6]。

有鑒于此，我們利用C#和FLUENT構建虛擬風洞實驗系統，滿足實驗隨時開出、顯示效果三維化、1人1組、可進行設計性實驗等要求。

1 開發軟件的選擇

FLUENT是計算流體力學(CFD)軟件中使用較為廣泛的一種，該軟件以近代流體力學與數值方法為理論基礎，能夠計算流場、傳熱和化學反應。該軟件包含了數十種計算模型，可針對各種復雜流動的物理現象，采用不同的離散格式和數值方法，以期在特定的領域內使計算速度、穩定性和精度等方面達到最佳組合，從而高效率地解決各個領域的復雜流動計算問題[7]，廣泛應用于航空航天、傳熱等很多領域，業已成為流體動力學建模、仿真與分析的重要工具[8-9]。國內外廣泛應用該軟件輔助真實的流體動力學試驗，極大地解決了時間和經濟問題。

使用FLUENT解決流體動力學問題的基本流程分為建模—網格劃分—求解—后處理4個階段[10]。①通過CAD軟件(如AutoCAD、UG、ProE、Solidworks等)或直接使用FLUENT專用的前置處理器GAMBIT建立分析對象的實體模型；②使用GAMBIT生成非結構化網格，建立物理空間到計算空間的映射；③使用FLUENT導入網格文件，定義求解器、物理特性以及邊界條件，指定迭代步長和計算收斂條件，進行求解；④計算完畢后應用TecPlot或FLUENT自帶的后處理工具進行后處理，能夠得到矢量圖、等高線圖和流線圖以及具體的數值。

FLUENT軟件為了廣泛適應各行業，導致其面板參數設置比較繁復，計算中用戶操作設置復雜。對于本科學員而言，使用FLUENT軟件直接進行數值分析比較困難[11]。為此，應用C#軟件開發界面和網絡通訊，并根據實驗內容內置相應的Journal文件模板，學員根據軟件提示設置相應參數，由軟件修改生成Journal文件，并提交給計算服務器，服務器上安裝有FLUENT軟件作為計算內核提供計算服務，所生成的結果文件暫存在服務器上，學員通過軟件界面調用TecPlot進行數據分析。

2 虛擬風洞實驗系統的建立

2.1 硬件組成

虛擬風洞實驗系統硬件設計為服務器-多終端網絡系統，如圖1所示。所有計算機都聯結在實驗室千兆局域網上。服務器類型為計算服務器，主要滿足Fluent軟件進行有限元計算的需要，兼具網絡服務器功能，因此該服務器配置高性能多CPU、海量內存和高速硬盤等。客戶端包括學員機和教師機。學員機使用千兆網卡，具有較好的圖形處理和顯示功能。網絡配置上設置一臺教師機，可進行網絡管理與調試，并可監視學員機屏幕。

在服務器上安裝有FLUENT軟件，以及虛擬風洞實驗系統軟件服務端(以下簡稱“服務端”)；在學員機需要安裝虛擬風洞實驗軟件客戶端(以下簡稱“客戶端”)，以及FLUENT后處理工具TecPlot。

圖1 虛擬風洞實驗系統硬件示意圖

2.2 軟件系統實現

虛擬風洞實驗系統軟件系統由服務端和客戶端組成。客戶端主要負責學員登錄，檢查并提交學員輸入數據，根據學員輸入數據在Journal文件模板基礎上生成Journal文件并提交給服務端，調用TecPlot軟件，輔助撰寫實驗報告等。

服務端的核心功能是調用FLUENT軟件計算學員提交的Journal文件，并能夠統籌分配計算資源。除此之外，還具有數據庫管理功能。服務端包含有4個數據庫，分別是：①學員數據庫，用于學員實驗管理；②Journal文件數據庫，對應于每一個虛擬風洞實驗，有不同的Journal模板文件，系統根據學員需要進行調用更改；③結果文件數據庫，數值計算的結果文件通常占用較大磁盤空間，可視情或定期清除；④實驗報告數據庫，學員完成實驗后，應當通過網絡提交實驗報告，教員可以進行批改評分。

FLUENT求解器可以通過TUI(Text User Interface)和GUI(Graphical User Interface)兩種方式運行。通過GUI方式形成的用戶界面操作序列或通過TUI方式輸入的指令序列都可以存儲為Journal文件，也可以直接使用TUI指令編寫Journal文件，外部程序可以通過帶Journal文件參數的方式執行FLUENT，使其按照Journal文件中的指令序列自動執行仿真任務。此外，FLUENT軟件還提供了用戶自定義函數(UDF：User-defined Function)，該函數應使用C語言編譯，使得用戶可以自行改進完善模型，給出更合理的邊界條件[12-13]。本系統采用TUI方式讀入Journal文件調用FLUENT軟件計算。見圖2所示。

圖2 軟件主要流程

統籌分配計算資源按照以下原則進行，首先識別不同學員提供的修改后的Journal文件，對于已經計算過并在結果數據庫中有存儲的直接返回“計算結束”信號，提示用戶可以開始分析數據，對于參數相同的合并優先計算，然后在后臺啟動FLUENT，讀入參數模板文件和網格文件進行計算。多個計算狀態按一定次序依次執行，實現自動計算功能。對計算結果的保存、提取和處理也是自動化的過程，大大減少了學員等待時間，從而提高了實驗效率。

2.3 系統應用

為說明系統應用流程，以學員進行“翼型表面壓力分布實驗”虛擬風洞實驗為例，該實驗要求學員得到某迎角下翼型的壓力分布圖，并能根據壓力系數分布圖，說明機翼各個部位對升力貢獻的大小[14]。

首先，教員給所有參加試驗的學員分配用戶名和密碼，學員使用該信息登錄客戶端，客戶端通過教研室局域網發送登錄信息給服務端驗證，服務端根據學員數據庫判斷是否允許登錄。

學員登錄后，選擇“翼型表面壓力分布實驗”虛擬風洞實驗，輸入風速、迎角等計算數據，客戶端判斷是否輸入、是否有效，如無效則提示學員輸入錯誤；如有效則下載相應的Journal文件模板根據用戶輸入在后臺修改；然后提交給服務端。

服務端智能識別眾多客戶端提交的Journal文件，對于已經計算過并在結果數據庫中存儲的直接返回“計算結束”信號提示，用戶可開始分析數據，對于參數相同的合并優先計算；再調用FLUENT進行數值計算，并在計算開始時，反饋給客戶端還需等待時間；在計算結束后，向客戶端報告。結果文件存于服務端。

計算完成后，學員在客戶端使用TecPlot軟件讀入結果文件，應用該軟件進行測量各部位壓力并繪制壓力曲線，還可得到真實實驗難以得到的流場結構圖等。如圖3所示。

圖3 流場結構圖(Re=2.1×105)

單次實驗結束后，學員可改變風速、迎角，反復進行實驗。完成實驗數據處理后，在客戶端幫助下撰寫實驗報告并提交給服務端保存。教員使用教師機可以監控學員虛擬實驗并進行實驗報告的批改評分。

3 結 語

將FLUENT計算流體力學仿真軟件引入虛擬實驗教學，以有限的經費有效彌補常規風洞實驗多演示性、探索性不足的缺點。充分滿足總部關于“1人1組”、實驗室開放等要求，解決真實風洞實驗受限于實驗空間、實驗時間、實驗內容等問題，提高了學員的實驗興趣，有效調動學員的學習積極性、主動性[15]。

[1] 楊建良．電類基礎課程實驗教學“虛實結合”模式的構建[J]．實驗室研究與探索,2014,33(7)：101-104．

[2] 辛允東．虛擬實驗和真實實驗的比較研究[J]．中國科技信息,2008,20(10):248-249．

[3] 賈忠湖．HY-750低速風洞動校實驗研究[J]．實驗技術與管理，2002,19(1)：83-85．

[4] 賈忠湖,趙元立,呂衛民,等．HY-750開口回流低速風洞[J]．流體力學實驗與測量，2001,15(4)：64-69．

[5] 呂衛民,周文松,宋貴寶．矢量控制技術在風洞動力系統中的應用[J]．流體力學實驗與測量,2004,18(1)：71-74．[6] 曾 亮,鄒 強,朱旭程．突出裝備保障特色 構建實踐教學體系[J]．實驗室研究與探索,2014,33(7)：229-231．

[7] 肖 虹,高 超,黨云卿,等.FLUENT軟件的二次開發及其在火箭氣動計算中的應用[J].航空計算技術,2009,39(5)：55-57．

[8] 蔡榮泉．船舶計算流體力學的發展與應用[J]．船舶,2002,8(4):8-13．

[9] 李 勇,劉志友,安亦然．介紹計算流體力學通用軟件-Fluent[J]．水動力學研究與進展A輯,2001,16(2):255-259．

[10] 謝海斌,張代兵,沈林成．基于MATLAB/SIMULINK與FLUENT的協同仿真方法研究[J]．系統仿真學報,2007,19(8)：1824-1827．

[11] 潘 沙,李 樺,夏智勛．高性能并行計算在航空航天CFD數值模擬中的應用[J]．計算機工程與科學,2012,34(8)：191-198．

[12] FLUENT 6.2 UDF Manual[Z]．Fluent Inc.2005.1:1.12-1.14．

[13] Ashish Kulkam, Ramesh Behera．Commonly used TUI and Scheme Commands in FLUENT, Fluent 6. 2 and onward [EB/OL]．www.Fluent. Com．

[14] 原渭蘭．氣體動力學[M]．北京：科學出版社,2013．

[15] 曾 亮，王偉力，朱建方，等．應用VC和LS-DYNA構建虛擬實驗系統[J]．實驗技術與管理,2009,26(10)：78-80．

Virtual Wind Tunnel Experiment System Based on FLUENT

ZENGLiang,ZOUQiang,ZHUXu-cheng

(Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

In order to solve the problems of high cost, poor design and difficulty of data processing in students experiments at the actual platform, a new kind of a virtual wind tunnel experiment system is proposed based on FLUENT. The finite element software FLUENT is applied in the field of virtual experiments. Virtual wind tunnel experiment system is constructed by using C# and FLUENT. The system is based on the laboratory area network, divided into the service end and the client side. The service end used the high performance computation server. Its core function is making over all arrangements, reading Journal file by TUI method and calling the FLUENT software to compute. The core function of client side is amending the journal document according to the input data of students, analyzing data of the experiment by calling the TecPlot software to read result files, and supporting the students finish the experiment report.

virtual experiment； FLUENT； teaching； wind tunnel

2015-03-12

曾 亮(1977-)，男，江西永修人，博士，副教授，研究方向：飛行器總體設計。

Tel.：13305351059；E-mail: steel1026@163.com

V 211.74

A

1006-7167(2016)02-0083-03