基于FLUENT的虚拟风洞实验系统

曾 亮， 邹 强， 朱旭程

(海军航空工程学院 飞行器工程系，山东 烟台 264001)



基于FLUENT的虚拟风洞实验系统

曾 亮， 邹 强， 朱旭程

(海军航空工程学院 飞行器工程系，山东 烟台 264001)

为了解决真实风洞实验存在的效率低、设计性差、数据处理难等问题，提出了一种虚拟实验平台开发方案。在虚拟实验领域引入了有限元数值仿真软件FLUENT，使用C#编程语言构建虚拟风洞实验系统软件。该系统基于实验室局域网，分为服务端和客户端。服务端使用高性能计算服务器，服务端软件的核心功能是统筹分配计算资源，并采用TUI方式读入Journal文件调用FLUENT软件进行计算。客户端的核心功能是根据学员输入数据在Journal文件模板基础上生成Journal文件并提交给服务端，在服务端计算完毕后可调用TecPlot读入结果文件，进行试验结果分析，并协助学员完成实验报告。

虚拟实验； FLUENT； 教学； 风洞

0 引 言

实验教学对于学员科学知识的系统掌握、实践能力的提升和科学素质培养等方面具有不可替代的作用[1]。随着计算机软硬件技术的迅速发展，虚拟实验这种新兴的实验手段也得到了广泛应用。一般认为，虚拟实验相比真实实验具有经济性、安全性、开放性、交互性等特点，并且能够用很短的时间完成需要很长时间才能完成的真实实验(如岩石蠕变实验)，以及宏观、微观实验(如核聚变实验)。当然，虚拟实验也存在着弱化了实验的直观性等问题，并且虚拟实验的基础是真实实验，不符合真实实验的虚拟实验都是没有实际教学意义的[2]。

HY-750低速风洞实验室自1999年建成使用以来，在教学科研方面发挥了重大作用[3-4]，是我院“空气动力学”“飞行原理”“气体动力学”“导弹飞行力学”等多门主干课程实验所必需的实验平台，目前开设的实验项目有：翼型表面压力分布实验、飞行器表面涡分布实验、飞行器测力实验等[5]。

但一方面该低速风洞已经使用了15年，动力系统老化、电子器件老化致使故障频发，严重影响了教学实施；另一方面，实验模型、显示设备和测控系统过于偏重演示实验，实验数据获取、处理不够方便；另一方面，实验难以满足1人1组的实验要求，学员仅能按照实验指导书的步骤要求完成实验任务，观察实际已知的结果现象，难以进行设计性实验。以上因素导致实验效果大大降低，与“向实战聚焦，向部队靠拢”的教学改革工作要求具有较大差距[6]。

有鉴于此，我们利用C#和FLUENT构建虚拟风洞实验系统，满足实验随时开出、显示效果三维化、1人1组、可进行设计性实验等要求。

1 开发软件的选择

FLUENT是计算流体力学(CFD)软件中使用较为广泛的一种，该软件以近代流体力学与数值方法为理论基础，能够计算流场、传热和化学反应。该软件包含了数十种计算模型，可针对各种复杂流动的物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题[7]，广泛应用于航空航天、传热等很多领域，业已成为流体动力学建模、仿真与分析的重要工具[8-9]。国内外广泛应用该软件辅助真实的流体动力学试验，极大地解决了时间和经济问题。

使用FLUENT解决流体动力学问题的基本流程分为建模—网格划分—求解—后处理4个阶段[10]。①通过CAD软件(如AutoCAD、UG、ProE、Solidworks等)或直接使用FLUENT专用的前置处理器GAMBIT建立分析对象的实体模型；②使用GAMBIT生成非结构化网格，建立物理空间到计算空间的映射；③使用FLUENT导入网格文件，定义求解器、物理特性以及边界条件，指定迭代步长和计算收敛条件，进行求解；④计算完毕后应用TecPlot或FLUENT自带的后处理工具进行后处理，能够得到矢量图、等高线图和流线图以及具体的数值。

FLUENT软件为了广泛适应各行业，导致其面板参数设置比较繁复，计算中用户操作设置复杂。对于本科学员而言，使用FLUENT软件直接进行数值分析比较困难[11]。为此，应用C#软件开发界面和网络通讯，并根据实验内容内置相应的Journal文件模板，学员根据软件提示设置相应参数，由软件修改生成Journal文件，并提交给计算服务器，服务器上安装有FLUENT软件作为计算内核提供计算服务，所生成的结果文件暂存在服务器上，学员通过软件界面调用TecPlot进行数据分析。

2 虚拟风洞实验系统的建立

2.1 硬件组成

虚拟风洞实验系统硬件设计为服务器-多终端网络系统，如图1所示。所有计算机都联结在实验室千兆局域网上。服务器类型为计算服务器，主要满足Fluent软件进行有限元计算的需要，兼具网络服务器功能，因此该服务器配置高性能多CPU、海量内存和高速硬盘等。客户端包括学员机和教师机。学员机使用千兆网卡，具有较好的图形处理和显示功能。网络配置上设置一台教师机，可进行网络管理与调试，并可监视学员机屏幕。

在服务器上安装有FLUENT软件，以及虚拟风洞实验系统软件服务端(以下简称“服务端”)；在学员机需要安装虚拟风洞实验软件客户端(以下简称“客户端”)，以及FLUENT后处理工具TecPlot。

图1 虚拟风洞实验系统硬件示意图

2.2 软件系统实现

虚拟风洞实验系统软件系统由服务端和客户端组成。客户端主要负责学员登录，检查并提交学员输入数据，根据学员输入数据在Journal文件模板基础上生成Journal文件并提交给服务端，调用TecPlot软件，辅助撰写实验报告等。

服务端的核心功能是调用FLUENT软件计算学员提交的Journal文件，并能够统筹分配计算资源。除此之外，还具有数据库管理功能。服务端包含有4个数据库，分别是：①学员数据库，用于学员实验管理；②Journal文件数据库，对应于每一个虚拟风洞实验，有不同的Journal模板文件，系统根据学员需要进行调用更改；③结果文件数据库，数值计算的结果文件通常占用较大磁盘空间，可视情或定期清除；④实验报告数据库，学员完成实验后，应当通过网络提交实验报告，教员可以进行批改评分。

FLUENT求解器可以通过TUI(Text User Interface)和GUI(Graphical User Interface)两种方式运行。通过GUI方式形成的用户界面操作序列或通过TUI方式输入的指令序列都可以存储为Journal文件，也可以直接使用TUI指令编写Journal文件，外部程序可以通过带Journal文件参数的方式执行FLUENT，使其按照Journal文件中的指令序列自动执行仿真任务。此外，FLUENT软件还提供了用户自定义函数(UDF：User-defined Function)，该函数应使用C语言编译，使得用户可以自行改进完善模型，给出更合理的边界条件[12-13]。本系统采用TUI方式读入Journal文件调用FLUENT软件计算。见图2所示。

图2 软件主要流程

统筹分配计算资源按照以下原则进行，首先识别不同学员提供的修改后的Journal文件，对于已经计算过并在结果数据库中有存储的直接返回“计算结束”信号，提示用户可以开始分析数据，对于参数相同的合并优先计算，然后在后台启动FLUENT，读入参数模板文件和网格文件进行计算。多个计算状态按一定次序依次执行，实现自动计算功能。对计算结果的保存、提取和处理也是自动化的过程，大大减少了学员等待时间，从而提高了实验效率。

2.3 系统应用

为说明系统应用流程，以学员进行“翼型表面压力分布实验”虚拟风洞实验为例，该实验要求学员得到某迎角下翼型的压力分布图，并能根据压力系数分布图，说明机翼各个部位对升力贡献的大小[14]。

首先，教员给所有参加试验的学员分配用户名和密码，学员使用该信息登录客户端，客户端通过教研室局域网发送登录信息给服务端验证，服务端根据学员数据库判断是否允许登录。

学员登录后，选择“翼型表面压力分布实验”虚拟风洞实验，输入风速、迎角等计算数据，客户端判断是否输入、是否有效，如无效则提示学员输入错误；如有效则下载相应的Journal文件模板根据用户输入在后台修改；然后提交给服务端。

服务端智能识别众多客户端提交的Journal文件，对于已经计算过并在结果数据库中存储的直接返回“计算结束”信号提示，用户可开始分析数据，对于参数相同的合并优先计算；再调用FLUENT进行数值计算，并在计算开始时，反馈给客户端还需等待时间；在计算结束后，向客户端报告。结果文件存于服务端。

计算完成后，学员在客户端使用TecPlot软件读入结果文件，应用该软件进行测量各部位压力并绘制压力曲线，还可得到真实实验难以得到的流场结构图等。如图3所示。

图3 流场结构图(Re=2.1×105)

单次实验结束后，学员可改变风速、迎角，反复进行实验。完成实验数据处理后，在客户端帮助下撰写实验报告并提交给服务端保存。教员使用教师机可以监控学员虚拟实验并进行实验报告的批改评分。

3 结 语

将FLUENT计算流体力学仿真软件引入虚拟实验教学，以有限的经费有效弥补常规风洞实验多演示性、探索性不足的缺点。充分满足总部关于“1人1组”、实验室开放等要求，解决真实风洞实验受限于实验空间、实验时间、实验内容等问题，提高了学员的实验兴趣，有效调动学员的学习积极性、主动性[15]。

[1] 杨建良．电类基础课程实验教学“虚实结合”模式的构建[J]．实验室研究与探索,2014,33(7)：101-104．

[2] 辛允东．虚拟实验和真实实验的比较研究[J]．中国科技信息,2008,20(10):248-249．

[3] 贾忠湖．HY-750低速风洞动校实验研究[J]．实验技术与管理，2002,19(1)：83-85．

[4] 贾忠湖,赵元立,吕卫民,等．HY-750开口回流低速风洞[J]．流体力学实验与测量，2001,15(4)：64-69．

[5] 吕卫民,周文松,宋贵宝．矢量控制技术在风洞动力系统中的应用[J]．流体力学实验与测量,2004,18(1)：71-74．[6] 曾 亮,邹 强,朱旭程．突出装备保障特色 构建实践教学体系[J]．实验室研究与探索,2014,33(7)：229-231．

[7] 肖 虹,高 超,党云卿,等.FLUENT软件的二次开发及其在火箭气动计算中的应用[J].航空计算技术,2009,39(5)：55-57．

[8] 蔡荣泉．船舶计算流体力学的发展与应用[J]．船舶,2002,8(4):8-13．

[9] 李 勇,刘志友,安亦然．介绍计算流体力学通用软件-Fluent[J]．水动力学研究与进展A辑,2001,16(2):255-259．

[10] 谢海斌,张代兵,沈林成．基于MATLAB/SIMULINK与FLUENT的协同仿真方法研究[J]．系统仿真学报,2007,19(8)：1824-1827．

[11] 潘 沙,李 桦,夏智勋．高性能并行计算在航空航天CFD数值模拟中的应用[J]．计算机工程与科学,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] 原渭兰．气体动力学[M]．北京：科学出版社,2013．

[15] 曾 亮，王伟力，朱建方，等．应用VC和LS-DYNA构建虚拟实验系统[J]．实验技术与管理,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：飞行器总体设计。

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

V 211.74

A

1006-7167(2016)02-0083-03