曾 亮， 鄒 強(qiáng)， 朱旭程

(海軍航空工程學(xué)院 飛行器工程系，山東 煙臺(tái) 264001)

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基于FLUENT的虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

曾 亮， 鄒 強(qiáng)， 朱旭程

(海軍航空工程學(xué)院 飛行器工程系，山東 煙臺(tái) 264001)

為了解決真實(shí)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)存在的效率低、設(shè)計(jì)性差、數(shù)據(jù)處理難等問(wèn)題，提出了一種虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)方案。在虛擬實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域引入了有限元數(shù)值仿真軟件FLUENT，使用C#編程語(yǔ)言構(gòu)建虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件。該系統(tǒng)基于實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)，分為服務(wù)端和客戶(hù)端。服務(wù)端使用高性能計(jì)算服務(wù)器，服務(wù)端軟件的核心功能是統(tǒng)籌分配計(jì)算資源，并采用TUI方式讀入Journal文件調(diào)用FLUENT軟件進(jìn)行計(jì)算?？蛻?hù)端的核心功能是根據(jù)學(xué)員輸入數(shù)據(jù)在Journal文件模板基礎(chǔ)上生成Journal文件并提交給服務(wù)端，在服務(wù)端計(jì)算完畢后可調(diào)用TecPlot讀入結(jié)果文件，進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析，并協(xié)助學(xué)員完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

虛擬實(shí)驗(yàn)； FLUENT； 教學(xué)； 風(fēng)洞

0 引 言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于學(xué)員科學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)掌握、實(shí)踐能力的提升和科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)等方面具有不可替代的作用[1]。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)這種新興的實(shí)驗(yàn)手段也得到了廣泛應(yīng)用。一般認(rèn)為，虛擬實(shí)驗(yàn)相比真實(shí)實(shí)驗(yàn)具有經(jīng)濟(jì)性、安全性、開(kāi)放性、交互性等特點(diǎn)，并且能夠用很短的時(shí)間完成需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完成的真實(shí)實(shí)驗(yàn)(如巖石蠕變實(shí)驗(yàn))，以及宏觀(guān)、微觀(guān)實(shí)驗(yàn)(如核聚變實(shí)驗(yàn))。當(dāng)然，虛擬實(shí)驗(yàn)也存在著弱化了實(shí)驗(yàn)的直觀(guān)性等問(wèn)題，并且虛擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)是真實(shí)實(shí)驗(yàn)，不符合真實(shí)實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)都是沒(méi)有實(shí)際教學(xué)意義的[2]。

HY-750低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室自1999年建成使用以來(lái)，在教學(xué)科研方面發(fā)揮了重大作用[3-4]，是我院“空氣動(dòng)力學(xué)”“飛行原理”“氣體動(dòng)力學(xué)”“導(dǎo)彈飛行力學(xué)”等多門(mén)主干課程實(shí)驗(yàn)所必需的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，目前開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：翼型表面壓力分布實(shí)驗(yàn)、飛行器表面渦分布實(shí)驗(yàn)、飛行器測(cè)力實(shí)驗(yàn)等[5]。

但一方面該低速風(fēng)洞已經(jīng)使用了15年，動(dòng)力系統(tǒng)老化、電子器件老化致使故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響了教學(xué)實(shí)施；另一方面，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀@示設(shè)備和測(cè)控系統(tǒng)過(guò)于偏重演示實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取、處理不夠方便；另一方面，實(shí)驗(yàn)難以滿(mǎn)足1人1組的實(shí)驗(yàn)要求，學(xué)員僅能按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的步驟要求完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，觀(guān)察實(shí)際已知的結(jié)果現(xiàn)象，難以進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。以上因素導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果大大降低，與“向?qū)崙?zhàn)聚焦，向部隊(duì)靠攏”的教學(xué)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(gòu)建虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)隨時(shí)開(kāi)出、顯示效果三維化、1人1組、可進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)等要求。

1 開(kāi)發(fā)軟件的選擇

FLUENT是計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件中使用較為廣泛的一種，該軟件以近代流體力學(xué)與數(shù)值方法為理論基礎(chǔ)，能夠計(jì)算流場(chǎng)、傳熱和化學(xué)反應(yīng)。該軟件包含了數(shù)十種計(jì)算模型，可針對(duì)各種復(fù)雜流動(dòng)的物理現(xiàn)象，采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期在特定的領(lǐng)域內(nèi)使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳組合，從而高效率地解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算問(wèn)題[7]，廣泛應(yīng)用于航空航天、傳熱等很多領(lǐng)域，業(yè)已成為流體動(dòng)力學(xué)建模、仿真與分析的重要工具[8-9]。國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用該軟件輔助真實(shí)的流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，極大地解決了時(shí)間和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。

使用FLUENT解決流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的基本流程分為建?！W(wǎng)格劃分—求解—后處理4個(gè)階段[10]。①通過(guò)CAD軟件(如AutoCAD、UG、ProE、Solidworks等)或直接使用FLUENT專(zhuān)用的前置處理器GAMBIT建立分析對(duì)象的實(shí)體模型；②使用GAMBIT生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，建立物理空間到計(jì)算空間的映射；③使用FLUENT導(dǎo)入網(wǎng)格文件，定義求解器、物理特性以及邊界條件，指定迭代步長(zhǎng)和計(jì)算收斂條件，進(jìn)行求解；④計(jì)算完畢后應(yīng)用TecPlot或FLUENT自帶的后處理工具進(jìn)行后處理，能夠得到矢量圖、等高線(xiàn)圖和流線(xiàn)圖以及具體的數(shù)值。

FLUENT軟件為了廣泛適應(yīng)各行業(yè)，導(dǎo)致其面板參數(shù)設(shè)置比較繁復(fù)，計(jì)算中用戶(hù)操作設(shè)置復(fù)雜。對(duì)于本科學(xué)員而言，使用FLUENT軟件直接進(jìn)行數(shù)值分析比較困難[11]。為此，應(yīng)用C#軟件開(kāi)發(fā)界面和網(wǎng)絡(luò)通訊，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容內(nèi)置相應(yīng)的Journal文件模板，學(xué)員根據(jù)軟件提示設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，由軟件修改生成Journal文件，并提交給計(jì)算服務(wù)器，服務(wù)器上安裝有FLUENT軟件作為計(jì)算內(nèi)核提供計(jì)算服務(wù)，所生成的結(jié)果文件暫存在服務(wù)器上，學(xué)員通過(guò)軟件界面調(diào)用TecPlot進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立

2.1 硬件組成

虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)為服務(wù)器-多終端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖1所示。所有計(jì)算機(jī)都聯(lián)結(jié)在實(shí)驗(yàn)室千兆局域網(wǎng)上。服務(wù)器類(lèi)型為計(jì)算服務(wù)器，主要滿(mǎn)足Fluent軟件進(jìn)行有限元計(jì)算的需要，兼具網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器功能，因此該服務(wù)器配置高性能多CPU、海量?jī)?nèi)存和高速硬盤(pán)等?？蛻?hù)端包括學(xué)員機(jī)和教師機(jī)。學(xué)員機(jī)使用千兆網(wǎng)卡，具有較好的圖形處理和顯示功能。網(wǎng)絡(luò)配置上設(shè)置一臺(tái)教師機(jī)，可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理與調(diào)試，并可監(jiān)視學(xué)員機(jī)屏幕。

在服務(wù)器上安裝有FLUENT軟件，以及虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件服務(wù)端(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“服務(wù)端”)；在學(xué)員機(jī)需要安裝虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)軟件客戶(hù)端(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“客戶(hù)端”)，以及FLUENT后處理工具TecPlot。

圖1 虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件示意圖

2.2 軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)由服務(wù)端和客戶(hù)端組成?？蛻?hù)端主要負(fù)責(zé)學(xué)員登錄，檢查并提交學(xué)員輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)學(xué)員輸入數(shù)據(jù)在Journal文件模板基礎(chǔ)上生成Journal文件并提交給服務(wù)端，調(diào)用TecPlot軟件，輔助撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。

服務(wù)端的核心功能是調(diào)用FLUENT軟件計(jì)算學(xué)員提交的Journal文件，并能夠統(tǒng)籌分配計(jì)算資源。除此之外，還具有數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能。服務(wù)端包含有4個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，分別是：①學(xué)員數(shù)據(jù)庫(kù)，用于學(xué)員實(shí)驗(yàn)管理；②Journal文件數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，有不同的Journal模板文件，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)員需要進(jìn)行調(diào)用更改；③結(jié)果文件數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果文件通常占用較大磁盤(pán)空間，可視情或定期清除；④實(shí)驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)庫(kù)，學(xué)員完成實(shí)驗(yàn)后，應(yīng)當(dāng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教員可以進(jìn)行批改評(píng)分。

FLUENT求解器可以通過(guò)TUI(Text User Interface)和GUI(Graphical User Interface)兩種方式運(yùn)行。通過(guò)GUI方式形成的用戶(hù)界面操作序列或通過(guò)TUI方式輸入的指令序列都可以存儲(chǔ)為Journal文件，也可以直接使用TUI指令編寫(xiě)Journal文件，外部程序可以通過(guò)帶Journal文件參數(shù)的方式執(zhí)行FLUENT，使其按照J(rèn)ournal文件中的指令序列自動(dòng)執(zhí)行仿真任務(wù)。此外，F(xiàn)LUENT軟件還提供了用戶(hù)自定義函數(shù)(UDF：User-defined Function)，該函數(shù)應(yīng)使用C語(yǔ)言編譯，使得用戶(hù)可以自行改進(jìn)完善模型，給出更合理的邊界條件[12-13]。本系統(tǒng)采用TUI方式讀入Journal文件調(diào)用FLUENT軟件計(jì)算。見(jiàn)圖2所示。

圖2 軟件主要流程

統(tǒng)籌分配計(jì)算資源按照以下原則進(jìn)行，首先識(shí)別不同學(xué)員提供的修改后的Journal文件，對(duì)于已經(jīng)計(jì)算過(guò)并在結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)中有存儲(chǔ)的直接返回“計(jì)算結(jié)束”信號(hào)，提示用戶(hù)可以開(kāi)始分析數(shù)據(jù)，對(duì)于參數(shù)相同的合并優(yōu)先計(jì)算，然后在后臺(tái)啟動(dòng)FLUENT，讀入?yún)?shù)模板文件和網(wǎng)格文件進(jìn)行計(jì)算。多個(gè)計(jì)算狀態(tài)按一定次序依次執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算功能。對(duì)計(jì)算結(jié)果的保存、提取和處理也是自動(dòng)化的過(guò)程，大大減少了學(xué)員等待時(shí)間，從而提高了實(shí)驗(yàn)效率。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用

為說(shuō)明系統(tǒng)應(yīng)用流程，以學(xué)員進(jìn)行“翼型表面壓力分布實(shí)驗(yàn)”虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)為例，該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)員得到某迎角下翼型的壓力分布圖，并能根據(jù)壓力系數(shù)分布圖，說(shuō)明機(jī)翼各個(gè)部位對(duì)升力貢獻(xiàn)的大小[14]。

首先，教員給所有參加試驗(yàn)的學(xué)員分配用戶(hù)名和密碼，學(xué)員使用該信息登錄客戶(hù)端，客戶(hù)端通過(guò)教研室局域網(wǎng)發(fā)送登錄信息給服務(wù)端驗(yàn)證，服務(wù)端根據(jù)學(xué)員數(shù)據(jù)庫(kù)判斷是否允許登錄。

學(xué)員登錄后，選擇“翼型表面壓力分布實(shí)驗(yàn)”虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，輸入風(fēng)速、迎角等計(jì)算數(shù)據(jù)，客戶(hù)端判斷是否輸入、是否有效，如無(wú)效則提示學(xué)員輸入錯(cuò)誤；如有效則下載相應(yīng)的Journal文件模板根據(jù)用戶(hù)輸入在后臺(tái)修改；然后提交給服務(wù)端。

服務(wù)端智能識(shí)別眾多客戶(hù)端提交的Journal文件，對(duì)于已經(jīng)計(jì)算過(guò)并在結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的直接返回“計(jì)算結(jié)束”信號(hào)提示，用戶(hù)可開(kāi)始分析數(shù)據(jù)，對(duì)于參數(shù)相同的合并優(yōu)先計(jì)算；再調(diào)用FLUENT進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并在計(jì)算開(kāi)始時(shí)，反饋給客戶(hù)端還需等待時(shí)間；在計(jì)算結(jié)束后，向客戶(hù)端報(bào)告。結(jié)果文件存于服務(wù)端。

計(jì)算完成后，學(xué)員在客戶(hù)端使用TecPlot軟件讀入結(jié)果文件，應(yīng)用該軟件進(jìn)行測(cè)量各部位壓力并繪制壓力曲線(xiàn)，還可得到真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以得到的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖等。如圖3所示。

圖3 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖(Re=2.1×105)

單次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)員可改變風(fēng)速、迎角，反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后，在客戶(hù)端幫助下撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告并提交給服務(wù)端保存。教員使用教師機(jī)可以監(jiān)控學(xué)員虛擬實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告的批改評(píng)分。

3 結(jié) 語(yǔ)

將FLUENT計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件引入虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以有限的經(jīng)費(fèi)有效彌補(bǔ)常規(guī)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)多演示性、探索性不足的缺點(diǎn)。充分滿(mǎn)足總部關(guān)于“1人1組”、實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放等要求，解決真實(shí)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)受限于實(shí)驗(yàn)空間、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等問(wèn)題，提高了學(xué)員的實(shí)驗(yàn)興趣，有效調(diào)動(dòng)學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性[15]。

[1] 楊建良．電類(lèi)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)“虛實(shí)結(jié)合”模式的構(gòu)建[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014,33(7)：101-104．

[2] 辛允東．虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)的比較研究[J]．中國(guó)科技信息,2008,20(10):248-249．

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[5] 呂衛(wèi)民,周文松,宋貴寶．矢量控制技術(shù)在風(fēng)洞動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測(cè)量,2004,18(1)：71-74．[6] 曾 亮,鄒 強(qiáng),朱旭程．突出裝備保障特色 構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)體系[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014,33(7)：229-231．

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[14] 原渭蘭．氣體動(dòng)力學(xué)[M]．北京：科學(xué)出版社,2013．

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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(shè)計(jì)。

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

V 211.74

A

1006-7167(2016)02-0083-03