關(guān)于CFD流場后處理軟件的開發(fā)及應(yīng)用

龐潤芳　鄭坤燦　任雁秋　潘剛　龔志軍　武文斐

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

關(guān)鍵詞： CFD； 三維流場； 后處理軟件； VB； 中間包

中圖分類號： TN722.5+3?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 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

計算流體動力學(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、微納流動以及恒星宇宙的演化等。其中，如何對CFD的計算結(jié)果進(jìn)行更為直觀、準(zhǔn)確和真實的表達(dá)一直是業(yè)間的難題之一。CFD后處理國外研究代表性的有：美國國家宇航局Ames研究中心的分布式虛擬風(fēng)洞；美國國家超級計算機(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、中國工程物理研究所、中國空氣動力研究所與發(fā)展中心、國防科技大學(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發(fā)[7]，惠偉等對高壓斷路器滅弧室動態(tài)流場計算結(jié)果后處理進(jìn)行二次開發(fā)[8]?？梢钥闯觯壳癈FD及后處理在國外已經(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的壟斷地位，國內(nèi)在這方面還是零星的和針對性的應(yīng)用。

因此，本文針對CFD三維非穩(wěn)態(tài)流場計算，應(yīng)用VB 6.0開發(fā)了自主知識產(chǎn)權(quán)的流場后處理軟件，并將它應(yīng)用于冶金中間包的三維非定常流動可視化。當(dāng)然它同樣可以應(yīng)用于其他流場的處理，包括三維、二維、穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)情況。

1 界面設(shè)計及功能實現(xiàn)

如圖1所示，程序主要功能需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、三維截面定位、畫圖、圖形縮放、箭頭美化、圖像的拷貝清除及幫助等。這些功能可以通過菜單和工具欄實現(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，各種格式通過彈出菜單鍵盤輸入數(shù)字選擇。

1.2 三維截面定位

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

1.3 畫 圖

矢量圖畫法：CFD計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)方程組獲得研究對象空間各個離散點的速度、壓力等參數(shù)的值。獲得的速度一般是x，y，z三個方向的速度分量。速度矢量圖的基本畫法如下：

（1） 確定空間某離散點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)，其對應(yīng)節(jié)點間距（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），同時提取最大速度分量vm，把所有速度分量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)長度vl=Δd·[vvm。]照此方法將點A的速度分量轉(zhuǎn)化為長度值（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）兩點即為該點的速度矢量，大小和方向均表示出來了，兩點之間距離為箭桿的長度al。

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

核心代碼實現(xiàn)如下：

1.4 圖形縮放

為了更方便地進(jìn)行流場觀察與分析，可以對顯示流場進(jìn)行整體、豎直、水平和局部縮放。這是通過界面上的放大縮小按鈕來實現(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箭頭和箭桿按鈕來實現(xiàn)。

2 三維中間包CFD流場處理應(yīng)用

案例應(yīng)用Fortran科學(xué)計算語言對中間包鋼水流動進(jìn)行模擬，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)κ?ε模型，計算結(jié)果處理如圖4所示，圖4為中間包第50個時間節(jié)點的流場圖。

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

3 結(jié) 論

利用Visual Basic可視化語言開發(fā)了CFD后處理軟件，實現(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)用所需對流場進(jìn)行必要的功能定制，例如三維截面精準(zhǔn)定位、箭頭美化和對象輪廓顯示等。程序通過對中間包鋼水流動流場處理實現(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。

參考文獻(xiàn)

[1] 邱磊.船舶操縱相關(guān)粘性流及水動力計算[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2004.

[2] 邱磊，鄒早建，張謝東.船舶計算流體動力學(xué)可視化系統(tǒng)的ScFDvS開發(fā)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2002，26（5）：563?566.

[3] HELMAN J L， HESSELINK L. Representation and display of vector field to topology in fluid flow datasets， visualizationin scientific computing [J]. IEEE Computer Society press， 1989， 22（8）： 27?36.

[4] 張文.矢量場可視化算法研究與系統(tǒng)設(shè)計[D].長沙：國防科技大學(xué)，2001.

[5] 鄭淑娟.插裝型錐閥配合副流固熱耦合分析及流場可視化[D].太原：太原理工大學(xué)，2015.

[6] 常君明.基于VTK的CFD可視化系統(tǒng)開發(fā)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2004.

[7] 羅暢.基于FLUENT的灶具流動及燃燒數(shù)值模擬軟件的二次開發(fā)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

[8] 惠偉，張建，張猛.高壓斷路器滅弧室動態(tài)流場計算結(jié)果后處理二次開發(fā)的研究[J].高壓電器，2014，52（6）：98?102.endprint