aMeSim与FLUeNT联合仿真技术实现方法及工程应用

陈士强，范瑞祥，黄 兵，黄 辉

（1. 北京宇航系统工程研究所，北京，100076；2. 中国运载火箭技术研究院，北京，100076）

aMeSim与FLUeNT联合仿真技术实现方法及工程应用

陈士强1，范瑞祥2，黄 兵1，黄 辉1

（1. 北京宇航系统工程研究所，北京，100076；2. 中国运载火箭技术研究院，北京，100076）

介绍aMeSim与FLUeNT平台的应用领域和优缺点，分析数值仿真的发展趋势和联合仿真对工程研究的意义，给出aMeSim与FLUeNT联合仿真运行模式、模型建立、二次开发、调试启动的方法和技术细节，并结合液体运载火箭研究具体工程问题进行实际应用，对比实验数据与仿真结果，验证联合仿真的有效性，为多学科优化设计提供可选方案。

联合仿真；aMeSim；FLUeNT；二次开发；工程应用

0 引 言

随着计算机技术和科学计算理论的飞速发展，数值仿真在工程研究领域的重要性日益明显，已成为与理论分析、试验研究同等重要的研究方法；实现多领域、跨专业、跨平台的集成仿真，解决多学科优化问题已成为数值仿真的重要发展趋势。

基于二次开发的aMeSim与FLUeNT联合仿真技术可以在全面研究系统特性基础上，通过平台间数据实时交互，获得重点组件的内部特性，丰富对复杂系统特性的认识和分析能力，增强对组件与系统间耦合关系的理解，实现单一仿真软件难以完成的系统与组件并重的多学科优化目标，满足工程领域对数值仿真的应用需求[1]。液体运载火箭技术研究方面典型潜在应用包括增压输送全系统电、气、液一体化研究及对贮箱内部气液两相流和推进剂热分层实时影响分析，复杂力、热条件引射循环预冷全系统流动与传热特性研究及引射器内部特性变化、引射参数对系统实时影响分析，推力震荡引起脉动流动对输送系统影响及重点组件内部流动特性分析。

本文给出了aMeSim与FLUeNT联合仿真的实现方法，结合液体运载火箭输送管路脉动流动特性研究和部分实验数据对联合仿真进行了详细分析，为航天工程中复杂系统优化设计提供思路和参考。

1 aMeSim与FLUeNT平台简介

1.1 aMeSim平台

aMeSim是一种工程系统仿真高级建模环境，基于直接图形接口，采用模块化建模与仿真方法，提供了工程研究中常用分析模块库，包括信号库、液压库、气动库、机械库、热库、两相流库、多体库、混合气体库等，便于用户在统一的应用平台中完成多学科仿真系统的构建、组件参数设置、动态或静态仿真、结果分析以及优化设计等工作过程。

aMeSim具备强鲁棒性智能求解器，强大的二次开发和数据分析（线性分析、模态分析、频谱分析、优化分析和质量分析等）能力，多种仿真运行模式和丰富灵活的软件接口，在汽车、电子、航空航天、石油化工等多个领域得到了广泛应用[1～4]。但aMeSim平台作为一维多领域仿真平台，在多维度系统特性研究和复杂流动与传热细节方面模拟能力较差。

1.2 FLUeNT 平台

FLUeNT是组件级cFd软件的典型代表，凭借其丰富的算法与物理模型、强大的网格处理和用户自定义功能，成为复杂外形组件流动与传热特性数值仿真的重要工具[5～7]。FLUeNT具有友好的操作界面和前、后处理功能，可以实现交互控制，并且对各种机器与操作系统具有很好的适应性。FLUeNT平台的应用限制在流动与传热领域，对于系统级多学科优化问题能力略显不足，计算收敛性和效率受几何外形复杂度影响严重，动特性分析能力差，不适合全系统特性研究。

1.3 接口梳理

aMeSim可以提供丰富的力、热、电、磁、信号、机械等接口。结合工程中广泛涉及的热、气动、液压、两相流、机械和信号6个系统，aMeSim数据输入、输出接口参数主要包括：a）热接口，如温度、比热、比焓、热流；b）流体接口，如加速度、速度、流量、体积流量、干度；c）力接口，如压力、摩擦力、推力、阻力；d）机械接口，如长度、面积、位移、质量；e）信号接口。接口参数的获得主要通过aMeSim传感器模块输出、信号库模块运算或用户直接设定。

FLUeNT的数据输入接口参数包括边界条件参数、物性参数、运行参数等。可以实现数据交互的边界条件主要包括压力入口、速度入口、流量入口、压力出口和压力远场；物性参数和运行参数包括换热系数、表面张力系数、过载系数、干度、初场参数等。数据输出通过UdF计算参数值，可以获得流动、传热相关的多种参数，如特定截面的压力、流量、温度等，并可以求解复杂几何型面的微积分量。

压力、温度和流量是联合仿真模型关键接口参数，需要根据研究系统特性和运行条件的不同进行合理划分，从而实现联合仿真模型数据的实时交互。利用FLUeNT的动网格技术，还可以与aMeSim实现力与位移的机械接口数据交互。

2 aMeSim与FLUeNT联合仿真

2.1 运行模式

图1给出了aMeSim与FLUeNT联合仿真运行模式，包括涉及到的软件平台及相互关系。

根据FLUeNT和aMeSim的特性，联合仿真建模分析一般基于Windows Xp操作系统计算平台，涉及到的商业软件包括aMeSim、FLUeNT和Microsoft Visual Studio，各软件之间相互耦合。FLUeNT为主软件，通过UdF实现数据的输入、输出和.dll文件的调用；aMeSim为辅软件，生成供调用的.dll文件，通过“通用数据交互”模块实现数据的输入、输出；Microsoft Visual Studio为媒介软件，实现桥梁作用。在运行过程中，FLUeNT通过二次开发实现联合仿真数据交互、边界条件确认、运行参数设置等操作。

图1 联合仿真运行模式示意

2.2 模型建立

aMeSim与FLUeNT联合仿真模型建立流程如图2所示。

图2 联合仿真模型建立流程

系统简化与劈分：按照合理的假设和简化条件，将复杂的工程应用系统简化为可以采用aMeSim与FLUeNT建模分析的模型系统，并将模型系统劈分为两个子系统，即结构与边界条件较为复杂或采用一维分析方法即可较好研究系统特性的子系统a和需要深入分析内部流动与传热特性的子系统B。

接口数据划分：根据子系统的劈分结果和实际工况中两个子系统之间的物理联系，合理设定子系统数据交互类型，包括边界参数、物性参数、运行参数等。

子模型构建与验证：采用aMeSim对子系统a建模，主要包括物性、机械、气动、液压、两相流、换热、信号和“通用数据交互模块”，对于更为复杂或特殊应用的子系统需要有针对性地进行aMeSim二次开发；FLUeNT对子系统B建模，主要包括构建几何模型、划分网格、设定边界条件与运行参数以及二次开发；子模型构建完毕后需要进行验证，主要包括模型及参数合理性、计算稳定性、网格无关性等。

联合仿真模型：FLUeNT模型通过Microsoft Visual Studio调用aMeSim模型，实现联合仿真模型的构建。

2.3 二次开发

二次开发是aMeSim与FLUeNT联合仿真技术的核心，主要包括aMeSim模块二次开发、Scheme脚本和UdF程序3个部分。

2.3.1 aMeSim模块二次开发

aMeSim模块二次开发不是联合仿真的必备工作，如果aMeSim标准库可以满足子系统a的建模需求，这项工作可以省略。当子系统a的功能需求超出标准库的建模能力时，需要采用aMeSim平台包中的aMeSet进行二次开发，包括在已有模块基础上进行完善和开发新模块两种模式。

覆盖范围内的标签大多数都会被重复清点，而对于一次清点任务来说，标签被清点到多次与清点到一次意义相同，因此大量的重复清点不仅效率低，而且增加了清点任务执行的时间。目的就是减少或消除标签被重复清点，提高清点效率，缩短清点任务时间。

aMeSet是LMS公司提供的aMeSim二次开发工具，允许用户选择Fortran 77或c语言进行模块开发，并结合Microsoft Visual Studio进行模块编译与调试[1]。2.3.2 Scheme脚本

Scheme 语言是LISp 语言的一个变种，编写的脚本文件可以被FLUeNT读入并编译，生成如图3所示的联合仿真控制面板，为FLUeNT的自动化执行提供更好的操作体验，极大地优化联合仿真过程中文件完备性检查、边界条件选择与设定、计算参数设定和初始化工作。

Scheme脚本程序开发主要实现7个功能：a）定义“整型（int）”和“整型列表（integer-list）”变量，分别用于存放交互数据（如压力、流量、推力、温度）的类型代码和交互数据在FLUeNT中所处的域指针（如压力出口、压力出口、壁面）；b）为脚本生成的联合仿真控制面板划定子区域，指定每个子区域包含的整型变量、整型列表变量及功能变量；c）设定Scheme中整型列表变量与FLUeNT中边界类型的对应关系；d）设定控制面板中功能按钮的操作，包括与UdF命令执行宏“deFINe_ON_ deMaNd”形成对应调用关系（如联合仿真文件完备性检查、初始化），系统文件操作（打开帮助文档、记录文档）等；e）设定控制面板各子区域与整型列表变量相关的功能量按钮及选择框的位置和尺寸，并得到FLUeNT中对应边界条件的域指针；f）设定控制面板各子区域与整型变量相关的功能按钮及选择框的位置和尺寸，并得到用户在选择框进行选择操作后的交互数据类型；g）在FLUeNT工具栏中添加联合仿真控制面板选项，实现面板标识和打开功能。

图3 Scheme脚本生成的联合仿真控制面板

2.3.3 UdF程序

联合仿真模型通过UdF实现交互数据在FLUeNT的输入、设定、变量计算、输出以及联合仿真的初始化。

UdF包括5个文件：udf.c需要用户结合具体模型进行二次开发；helper_functions.c，helper_functions.h，import_dll_utils.c和import_dll_utils.h编译后调用aMeSim生成的.dll文件[1]。

udf.c文件主要包括以下几个部分：a）变量定义模块，包括定义与Scheme脚本相对应的变量、udf.c中使用的中间变量和需要计算输出的变量；b）FLUeNT边界条件和参数设定模块，通过deFINe宏实现，主要包括deFINe_pROFILe宏、deFINe_pROpeRTY宏和deFINe_SOURce宏；c）FLUeNT输出参数计算模块，按照c语言语法规则开发子模块实现计算功能，如压力、温度、流量和作用力的计算；d）与Scheme联合仿真控制面板对应的执行模块，通过deFINe_ON_deMaNd宏实现，包括文件完备性检查、初始化等；e）一个时间步长结束后，aMeSim与FLUeNT数据交互模块，通过deFINe_eXecUTe_ aT_eNd宏实现。

2.4 调试启动

联合仿真模型调试包括Scheme脚本调试、udf.c文件调试和子模型调试。

联合仿真启动操作步骤：

a）运行FLUeNT；

b）打开aMeSim模型，并设置到“运行（Simulation→ Temporal analysis mode）”模式，调整好计算时间步长；

c）FLUeNT读入与aMeSim模型处于同一文件夹下的.cas和.dat文件，其中.dat文件来自于子模型调试中的合理计算结果，作为FLUeNT模型的初场数据；d）将UdF所需文件移至相应文件夹，编译UdF；e）FLUeNT加载编译好的UdF，设定相关边界条件、参数及数据交互；

f）FLUeNT读入Scheme脚本，打开联合仿真控制面板，选择计算域和参数，检查文件完备性，初始化模型；

g）设定FLUeNT非稳态计算模型的时间步长和单个时间步长内迭代次数，启动联合仿真。

2.5 结果分析

联合仿真的结果分析可以采用aMeSim和FLUeNT平台各自进行，针对某些特性进行选择性研究；也可以将数据导出，采用第三方软件统一进行数据分析挖掘，充分研究系统的综合特性。

3 联合仿真工程应用

三通管路是液体运载火箭的典型结构，包括输送管路、供配气管路、控制气管路等。三通管路内压力和流量脉动特性是管路综合特性研究的重要内容，对于较长的管路结构和复杂外界输入条件，采用单一软件平台难于全面分析系统特性。本文采用联合仿真方法对存在三通结构的输送系统流量脉动进行时域和频域特性分析，同时获得三通结构内部实时的速度分布和压力分布，并与部分实验结果进行了对比。

3.1 系统结构参数及输入条件

输送系统包括主管路、球形三通和左右两个分支管（见图4）。主管路高0.5 m、直径0.16 m，分支管长3 m、直径0.11 m，球形三通内径0.2 m。工质为水，温度300 K，初始状态系统内静压450 kpa，不考察系统温度特性；左右分支管分别主动施加频率9 Hz、幅值流量0.34 kg/s的同频反向正弦脉动质量流量；球形三通左端口为主端口，固定静压450 kpa。

图4 典型输送系统示意

3.2 子系统及接口梳理

子系统a由aMeSim建模，包括两个分支管和激励输入系统；子系统B由FLUeNT建模，包括主管路和球形三通。aMeSim向FLUeNT输入参数为球形三通左端口速度、右端口压力和主管路顶端压力；FLUeNT向aMeSim输入参数为球形三通右端口质量流量（即右分支管入口质量流量）。

3.3 子模型

联合仿真模型由aMeSim与FLUeNT子模型构成。aMeSim模型实现脉动流量输入，计算分支管内部流动和压力的时域和频域特性，分支管模型采用均布的5个节点采集数据，即两端点、0.75 m、1.5 m和2.25 m处；FLUeNT模型分析主管路与球形三通在脉动流量影响下的内部流动特性，并向aMeSim模型实时反馈球形三通的阻尼效应。

3.4 结果分析

图5给出了分支管质量流量、1.5 m处节点压力和球形三通端口压力的时域特性。

图6为分支管质量流量和分支管内1.5 m处节点压力的频域特性。

图5 联合仿真时域分析结果

图6 输送系统频域分析结果

续图6

综合图5、图6a、图6b仿真结果可得，在流动特性方面，左右分支管质量流量基本一致（主管路存在一定的分流作用），9 Hz附近存在与输入激励频率相对应的尖峰；右分支管经球形三通的阻尼作用，9 Hz附近的尖峰数值有所降低。在压力特性方面，由于左端口流量波动和右分支管输入激励，球形三通右端口存在明显的压力波动，且振幅较大；左分支管与球形三通接口处压力为固定值450 kpa，管内压力波动较小，右分支管内部则出现了剧烈的压力震荡；左右分支管均在9 Hz附近出现尖峰，同时右分支管激励出1.5 Hz附近的低频脉动。

对比图6b、图6c可得，右分支管内1.5 m处节点的压力频域特性仿真结果与实验数据均在7～10 Hz附近存在与输入激励频率相对应的二阶振动，幅值略有差别；联合仿真预示了实验中管路系统激励出1～3 Hz附近的低频一阶振动，而幅值高一些。仿真结果与实验数据在振动幅值上的差别主要是因为仿真模型采用了简化条件，对实际系统内部的湍流效应、阻力效应等考察较为简单，模型系统阻尼较小，使计算幅值偏大。

图7、图8给出了FLUeNT子模型计算的不同时刻主管路和球形三通内速度、压力云图。

图7 t=2 s时，主管路和球形三通内速度、压力云图

图8 t=2.22 s时，主管路和球形三通内速度、压力云图

由图7、图8可见，在主管路中，流体随高度的升高重力势能增加，流动减弱，对分支管内脉动流动的分流作用减小；流体从球形三通一端进入后绝大部分从另一端流出，与aMeSim子模型计算结果相符；由于球形三通的截面突扩效应，流体进入后静压略有升高，在两端口底部连接处效应显著；球形三通左右端口压差增大时，流体的速度会显著增加。

4 结束语

本文立足数值仿真在工程研究中的发展趋势，结合商业软件平台aMeSim和FLUeNT的特点，分析了aMeSim与FLUeNT联合仿真的重要意义，给出了联合仿真的实现方法，并结合液体运载火箭三通管路流量脉动时域和频域特性分析进行了工程应用，为复杂工程问题的多学科优化研究提供参考。

致 谢

本文的研究得到LMS公司多位工程师的帮助，在此表示感谢。

[1] LMS Image Sa. aMeSim help demos Rev12[R]. Belgium：Leuven，2013.

[2] 王定军, 袁洪滨, 董苑. 贮箱充填过程仿真和分析[J]. 火箭推进, 2008, 34(1): 23-25.

[3] 刘靖东, 隋国发, 娄路亮, 等. 液体火箭增压输送系统多学科动力学研究[J]. 中国科学e辑: 技术科学, 2009, 39(3): 474-481.

[4] 陈士强, 范瑞祥, 管洪仁, 黄兵, 黄辉. 基于aMeSim的低温运载火箭自然循环预冷过程研究[J]. 导弹与航天运载技术, 2015(5):14-19.

[5] FLUeNT Inc. FLUeNT 6.3 User’s Guide[M]. NH: Lebanon, 2006.

[6] Marchetta J G, Benedetti R H. Simulation of jet-induced geysers in reduced gravity[J]. Microgravity Science Technology, 2010(22): 7-16.

[7] 吴光中，李久龙，高婉丽，姜联东. 大流量氢气的排放与扩散研究[J]. 导弹与航天运载技术, 2010(5):51-55.

Approach Method and Engineering Application of Co-simulation between AMESim and FLUENT

chen Shi-qiang1, Fan Rui-xiang2, Huang Bing1, Huang Hui1
(1. Beijing Institute of aerospace Systems engineering, Beijing, 100076; 2. china academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

Some background materials about simulation platforms, aMeSim and FLUeNT are introduced, which includes their application fields, advantages and disadvantages. The developing trend of numerical simulation and the meaningful effect of co-simulation to engineering research are analyzed. Main steps of approach method of co-simulation between aMeSim and FLUeNT are presented on typical engineering issue, particularly the basic operation mode, interface variable analysis, simulation modeling approach, user defined secondary developing code, compiling and running co-simulation model. engineering application of co-simulation is approved for the research field of liquid launch vehicle technology. The simulation results are validated based on experimental data and the effectiveness of co-simulation method is approved, which would be a choice for multi-disciplinary optimization design.

co-simulation; aMeSim; FLUeNT; Secondary developing; engineering application

Tp311.52

a

1004-7182(2016)01-0092-06

10.7654/j.issn.1004-7182.20160122

2014-12-05；

2015-04-28

陈士强（1986-），男，博士，工程师，研究方向为液体运载火箭动力系统总体设计