關(guān)于CFD流場(chǎng)后處理軟件的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

龐潤(rùn)芳　鄭坤燦　任雁秋　潘剛　龔志軍　武文斐

摘 要： 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）越來(lái)越多地應(yīng)用在許多學(xué)科領(lǐng)域，CFD后處理一直是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。應(yīng)用VB 6.0可視化語(yǔ)言開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的流場(chǎng)后處理軟件，針對(duì)特殊應(yīng)用定制了文件數(shù)據(jù)格式、穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)三維流場(chǎng)顯示、圖形縮放、箭頭美化和容器輪廓顯示等功能，同時(shí)也可以進(jìn)行圖形區(qū)域選擇、拷貝、清除、橡皮擦、手工畫(huà)筆等操作。最后軟件應(yīng)用于三維中間包鋼水非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的數(shù)值模擬，較好地實(shí)現(xiàn)了軟件的各種功能，為CFD流動(dòng)的計(jì)算結(jié)果分析和處理提供方便。

關(guān)鍵詞： CFD； 三維流場(chǎng)； 后處理軟件； VB； 中間包

中圖分類(lèi)號(hào)： TN722.5+3?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）20?0061?03

Abstract： Computational fluid dynamics （CFD） are used in many disciplines increasingly， but CFD post?processing has been one of the research hotspots and difficulties in the field. The flow field post?processing software with proprietary intellectual property right is developed with VB6.0 visualization language. Many functions for special application are custom?made， such as file data format， 3D flow field display， graph zooming， arrow prettifying and profile display of container. The software can also fulfill selection of graphic region， and operation of copying， clearing， clear and manual painting brush. It was applied to numerical simulation of 3D unsteady molten steel flow in the tundish， and realized various functions. The convenience was provided for analysis and processing of the calculated results of CFD flow.

Keywords： CFD； 3D flow field； post?processing software； VB； tundish

0 引 言

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用日益廣泛，波及到生活和工業(yè)的許多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的如環(huán)境、化工、氣象、航海、建筑、機(jī)械和航空航天等，新興的包括生命現(xiàn)象、微納流動(dòng)以及恒星宇宙的演化等。其中，如何對(duì)CFD的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行更為直觀、準(zhǔn)確和真實(shí)的表達(dá)一直是業(yè)間的難題之一。CFD后處理國(guó)外研究代表性的有：美國(guó)國(guó)家宇航局Ames研究中心的分布式虛擬風(fēng)洞；美國(guó)國(guó)家超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用中心的大氣及流體可視化軟件（Pathfinder）；還有Ames早期推出的CFD可視化應(yīng)用軟件包PLOT3D及其后的流體分析軟件工具FAST等[1?3]。國(guó)內(nèi)的可視化研究始于20世紀(jì)90年代初，主要從事這方面研究的單位有清華大學(xué)、浙江大學(xué)、中科院、中國(guó)工程物理研究所、中國(guó)空氣動(dòng)力研究所與發(fā)展中心、國(guó)防科技大學(xué)等[4?5]。另外，常明君等基于VTK進(jìn)行了CFD可視化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[6]，華中科技大學(xué)羅暢在Fluent的基礎(chǔ)上進(jìn)行了后處理的二次開(kāi)發(fā)[7]，惠偉等對(duì)高壓斷路器滅弧室動(dòng)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果后處理進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)[8]。可以看出，目前CFD及后處理在國(guó)外已經(jīng)成熟并商業(yè)化，且非常重視相關(guān)研究以保持其一直以來(lái)的壟斷地位，國(guó)內(nèi)在這方面還是零星的和針對(duì)性的應(yīng)用。

因此，本文針對(duì)CFD三維非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算，應(yīng)用VB 6.0開(kāi)發(fā)了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的流場(chǎng)后處理軟件，并將它應(yīng)用于冶金中間包的三維非定常流動(dòng)可視化。當(dāng)然它同樣可以應(yīng)用于其他流場(chǎng)的處理，包括三維、二維、穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)情況。

1 界面設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

如圖1所示，程序主要功能需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、三維截面定位、畫(huà)圖、圖形縮放、箭頭美化、圖像的拷貝清除及幫助等。這些功能可以通過(guò)菜單和工具欄實(shí)現(xiàn)。

1.1 數(shù)據(jù)讀取

數(shù)據(jù)文件為文本格式，如txt，dat等，數(shù)據(jù)文件格式分二維、三維、穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)幾種情況，格式如圖2所示，各種格式通過(guò)彈出菜單鍵盤(pán)輸入數(shù)字選擇。

1.2 三維截面定位

通過(guò)圖3所示的復(fù)選框數(shù)字可以選取三個(gè)方向不同位置處的截面流場(chǎng)，同時(shí)可以顯示所化流場(chǎng)的位置。

1.3 畫(huà) 圖

矢量圖畫(huà)法：CFD計(jì)算方法包括有限差分，有限元和有限容積等方法，其思路一般為，首先是研究對(duì)象的空間離散，然后是方程離散，最后解代數(shù)方程組獲得研究對(duì)象空間各個(gè)離散點(diǎn)的速度、壓力等參數(shù)的值。獲得的速度一般是x，y，z三個(gè)方向的速度分量。速度矢量圖的基本畫(huà)法如下：

（1） 確定空間某離散點(diǎn)A的位置坐標(biāo)（xi，yi，zi）。該處在二維平面內(nèi)即為代碼中的（XBEGIN，YBEGIN）坐標(biāo)，其對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)間距（Δxi，Δyi，Δzi），Δxi=xi+1-xi，Δyi=yi+1-yi，Δzi=zi+1-zi。

（2） 提取最大間距Δd，Δd=max（Δxi，Δyi），同時(shí)提取最大速度分量vm，把所有速度分量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度vl=Δd·[vvm。]照此方法將點(diǎn)A的速度分量轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)度值（uli，vli，wli），該處為下面代碼中的（XEND， YEND）。endprint

（3） 連接（xi，yi，zi）和（xi+uli，yi+vli，zi+wli）兩點(diǎn)即為該點(diǎn)的速度矢量，大小和方向均表示出來(lái)了，兩點(diǎn)之間距離為箭桿的長(zhǎng)度al。

（4） 畫(huà)矢量箭頭，即箭頭尖端的箭須，箭須位置點(diǎn)（XLEVEL，YLEVEL）和點(diǎn)（XLEVEL1，YLEVEL1）是根據(jù)箭桿長(zhǎng)度和箭須和箭桿夾確定。其中第（2）步的目的是使各點(diǎn)速度長(zhǎng)度化，而且要求各點(diǎn)速度長(zhǎng)度與節(jié)點(diǎn)間距相當(dāng)，以便能夠進(jìn)行合理的速度矢量顯示。

核心代碼實(shí)現(xiàn)如下：

1.4 圖形縮放

為了更方便地進(jìn)行流場(chǎng)觀察與分析，可以對(duì)顯示流場(chǎng)進(jìn)行整體、豎直、水平和局部縮放。這是通過(guò)界面上的放大縮小按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)。整體放大代碼如下：

1.5 箭頭美化

為了使矢量圖更為美觀，可以對(duì)箭頭和箭桿的大小與粗細(xì)進(jìn)行調(diào)整，使之達(dá)到最好的顯示效果，這在界面上可以通過(guò)箭頭和箭桿按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 三維中間包CFD流場(chǎng)處理應(yīng)用

案例應(yīng)用Fortran科學(xué)計(jì)算語(yǔ)言對(duì)中間包鋼水流動(dòng)進(jìn)行模擬，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)κ?ε模型，計(jì)算結(jié)果處理如圖4所示，圖4為中間包第50個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的流場(chǎng)圖。

圖4（a）為中間包鋼液從最左側(cè)入口進(jìn)入，從左向右繞過(guò)上擋墻、下?lián)鯄χ劣覀?cè)下部出口流出的整個(gè)流動(dòng)過(guò)程。圖4（b）為中間包水平截面的鋼液流動(dòng)情況。圖4（c）為下?lián)醢遑Q直截面的鋼液流動(dòng)顯示，圖4（b）為鋼水出口處豎直截面的流場(chǎng)。

3 結(jié) 論

利用Visual Basic可視化語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了CFD后處理軟件，實(shí)現(xiàn)了二維、三維、穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)不同數(shù)據(jù)格式文件讀取及其流場(chǎng)顯示，除了基本的縮放、選取、擦除、復(fù)制等功能外，并能根據(jù)應(yīng)用所需對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行必要的功能定制，例如三維截面精準(zhǔn)定位、箭頭美化和對(duì)象輪廓顯示等。程序通過(guò)對(duì)中間包鋼水流動(dòng)流場(chǎng)處理實(shí)現(xiàn)了軟件的目標(biāo)和要求的各種功能。

注：本文通訊作者為鄭坤燦。

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