面向高端裝備智能研制的流場(chǎng)仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)

張欣超,彭 飛,2*,張洪輝

(1. 中車工業(yè)研究院有限公司,北京100071;2. 清華大學(xué)工業(yè)工程系,北京100084)

1 引言

隨著人工智能、數(shù)字孿生、5G等技術(shù)的快速發(fā)展,以“數(shù)據(jù)+算力+算法”為核心的智能制造技術(shù)體系日趨成熟。工業(yè)多場(chǎng)(流-固-熱-電-磁-聲)仿真軟件作為大型裝備智能制造實(shí)現(xiàn)的必需使能工具,是企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)的關(guān)鍵。流體通常為大型裝備(航天器、機(jī)車、汽車等)實(shí)際服役過(guò)程的激勵(lì)源,易引發(fā)氣動(dòng)噪聲、流致振動(dòng)、生熱等問(wèn)題,為此類裝備的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、安全服役和失效評(píng)估帶來(lái)諸多困難。因此,如何實(shí)現(xiàn)大型裝備流場(chǎng)性能準(zhǔn)確模擬和量化預(yù)測(cè)具有重要的理論研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

OpenFOAM是一個(gè)完全由C++編寫(xiě)的,在Linux下運(yùn)行,面向?qū)ο蟮挠?jì)算流體力學(xué)類庫(kù)。OpenFOAM跟商用的CFD軟件Ansys Fluent,CFX類似,但其作為開(kāi)源,采用類似于我們?nèi)粘Ａ?xí)慣的方法在軟件中描述偏微分方程的有限元體積離散化。目前很多學(xué)者對(duì)OpenFOAM理論進(jìn)行了研究。鄭澄遠(yuǎn)[1]對(duì)OpenFOAM中的核心代碼進(jìn)行了提取分析。孟德龍[2]將OpenFOAM移植到超級(jí)計(jì)算機(jī)神威太湖之光上,體現(xiàn)了OpenFOAM軟件的重要性。黃剛[3]基于OpenFOAM設(shè)計(jì)了一種兩相復(fù)雜流體數(shù)值求解器:FHRP-FOAM,用于研究二元聚合物混合液在相分離時(shí)的非平衡穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象,同時(shí)分析了求解器的并行瓶頸,提出了基于異步規(guī)約通信的并行性能優(yōu)化方法。由于OpenFOAM的使用基本是在Linux或者Windows下虛擬機(jī)進(jìn)行,對(duì)于大部分Windows系統(tǒng)使用者需要花費(fèi)大量精力進(jìn)行學(xué)習(xí),因此在Windows為其開(kāi)發(fā)界面是具有重要研究意義的。

針對(duì)熱-流-固耦合,一直是國(guó)內(nèi)外計(jì)算流體力學(xué)專家所研究的問(wèn)題,其需要將復(fù)雜模型中的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)等多物理場(chǎng)之間的耦合關(guān)系進(jìn)行研究,已經(jīng)成為目前多場(chǎng)耦合的重點(diǎn)研究之一。Li等[4]基于不可壓縮流體的N-S方程及能量方程,對(duì)飛機(jī)電動(dòng)靜液壓執(zhí)行器中軸向柱塞泵閥板摩擦副進(jìn)行了熱-流-固耦合分析。趙飛云等人[5]針對(duì)吊籃結(jié)構(gòu)模型的熱-流-固耦合問(wèn)題進(jìn)行了分析。黨旭光[6]從理論上對(duì)三個(gè)物理場(chǎng)耦合模型進(jìn)行了介紹,并在熱-流-固耦合的基礎(chǔ)上提出了如何建立其有限元仿真模型。Lei等[7]對(duì)超聲速流動(dòng)的復(fù)雜服役情況進(jìn)行了熱-流-固耦合的模型設(shè)計(jì)并進(jìn)行了分析。而OpenFOAM在進(jìn)行流-固耦合及熱-流-固耦合工作時(shí),往往需要與Windows系統(tǒng)下其他軟件(如Ansys等)結(jié)合使用,由于OpenFOAM輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)格式固定,難以與其他軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,使得自動(dòng)化過(guò)程變得困難。

針對(duì)大型裝備,如機(jī)車、飛機(jī)、汽車等,對(duì)這類模型進(jìn)行流場(chǎng)分析時(shí),由于其服役情況基本相同,其仿真分析過(guò)程便逐漸趨向流程化。劉洪泉[8]采用ANSYS FLUENT軟件對(duì)飛行器進(jìn)行模擬,獲得模型外流場(chǎng)的溫度、壓力、密度、速度等物理參數(shù)的分布,并將流場(chǎng)結(jié)果導(dǎo)入進(jìn)行耦合模擬,獲得結(jié)構(gòu)場(chǎng)的物理參數(shù)分布。彭佳艷等人[9]通過(guò)對(duì)高速機(jī)車車頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行流程分析,研究分析了高速機(jī)車車頭壓力隨速度的變化情況,通過(guò)仿真得出高速機(jī)車車尾流線和湍流變化。黃森仁等人[10]針對(duì)某SUV車型的中后期造型階段的CAS面模型,經(jīng)過(guò)幾何清理和模型網(wǎng)格劃分,構(gòu)建了整車CFD計(jì)算模型并進(jìn)行了模擬仿真分析,通過(guò)分析結(jié)果指出了影響氣動(dòng)阻力的車身關(guān)鍵部件,為后續(xù)汽車外形的進(jìn)一步優(yōu)化指出了方向。彭昌明[11]討論了汽車外流場(chǎng)仿真分析方法,建立了汽車外流場(chǎng)有限元仿真模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬,通過(guò)對(duì)汽車外流場(chǎng)參數(shù)分析來(lái)獲得汽車外流場(chǎng)空氣動(dòng)力學(xué)的主要特性并進(jìn)行優(yōu)化研究。目前大多數(shù)人都還采用商業(yè)軟件進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算,如ANSYS等,但其對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō),使用成本較高,同時(shí)其開(kāi)發(fā)接口存在諸多限制,二次開(kāi)發(fā)的難度較大,不便于后續(xù)研究的進(jìn)行。

本文基于OpenFOAM交叉編譯可執(zhí)行文件及C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了大型裝備用流場(chǎng)仿真定制軟件平臺(tái),旨在對(duì)大型裝備進(jìn)行流-固耦合及熱-流-固耦合中的流場(chǎng)及傳熱分析。針對(duì)大型裝備,其服役環(huán)境往往相差不大,在進(jìn)行類似大型裝備的流場(chǎng)分析時(shí),僅需要修改其模型即可。本研究將OpenFOAM集成到C++平臺(tái)下,通過(guò)界面參數(shù)輸入及按鈕驅(qū)動(dòng)來(lái)調(diào)用OpenFOAM,增強(qiáng)了其自動(dòng)化功能。同時(shí),便于研究者進(jìn)行模型、自研算法等源碼的集成,適用于行業(yè)知識(shí)沉淀,同時(shí)為后續(xù)軌道交通等裝備多場(chǎng)多層級(jí)多尺度性能自動(dòng)仿真及面向數(shù)字孿生下的產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)和自主創(chuàng)新,提供了有效的使能工具。

2 OpenFOAM交叉編譯及功能調(diào)用

鑒于OpenFOAM軟件基于Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā),當(dāng)用于Windows環(huán)境與自編程序或力學(xué)仿真軟件(ANSYS、ABAQUS等)進(jìn)行流固耦合仿真時(shí),需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳遞。故需實(shí)現(xiàn)OpenFOAM的交叉編譯來(lái)獲得其在Windows環(huán)境下的可執(zhí)行文件。

2.1 Openfoam軟件交叉編譯方法及實(shí)現(xiàn)路徑

OpenFOAM的交叉編譯采用Ubuntu系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn),其實(shí)現(xiàn)方法為:

在SourceForm頁(yè)面獲取OpenFOAM及ThirdParty壓縮包;

安裝交叉編譯所需要的安裝包,如mingw32、w3m、flex、wget、zlib等;

下載PatchesNBatches170壓縮包,并將其放入OpenFOAM目錄下進(jìn)行解壓,用于修補(bǔ)程序。

修改ThirdParty-1.7.0文件內(nèi)的Build-mingw44及Build-mingw45;

設(shè)置環(huán)境選項(xiàng);

運(yùn)行build-mingw44或build-mingw45,構(gòu)建MinGW交叉編譯器;

運(yùn)行OpenFOAM內(nèi)的wmake文件進(jìn)行交叉編譯;

將文件復(fù)制到Windows下,即可進(jìn)行使用。

交叉編譯實(shí)現(xiàn)路徑如圖1所示。

圖1 OpenFOAM交叉編譯實(shí)現(xiàn)圖

2.2 基于MFC的Openfoam調(diào)用實(shí)現(xiàn)

軟件編寫(xiě)流程圖如圖2所示。

圖2 軟件設(shè)計(jì)思路流程圖

圖2中,軟件界面采用MFC進(jìn)行設(shè)計(jì),算例模板內(nèi)容包含于設(shè)計(jì)文件中,調(diào)用OpenFOAM則采用CreateProcess函數(shù)完成,輸入命令則通過(guò)管道技術(shù)完成。

2.3 裝備流場(chǎng)性能仿真模板文件

OpenFOAM作為CFD開(kāi)源軟件,主要包括前處理、求解器、后處理三個(gè)部分,其中,前處理主要包括計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分,初始條件和邊界條件的設(shè)置,物性參數(shù)的設(shè)置、控制方程和離散方程的設(shè)置和離散方程的求解設(shè)置等,本文在前處理中,將網(wǎng)格細(xì)化參數(shù)、初始條件等設(shè)置為界面輸入,控制方程和離散方程內(nèi)容則采用模板內(nèi)容;求解器作為OpenFOAM的核心部分,每個(gè)求解器都可以對(duì)不同的流體類型進(jìn)行求解,其中包括不可壓縮流體求解器、燃燒求解器及應(yīng)力分析求解器等,本文以不可壓縮流體求解器中的simpleFoam求解器為例,進(jìn)行開(kāi)發(fā),本文方亦適用于其他類型求解器。

OpenFOAM算例由三個(gè)文件夾組成,分別是0、constant及system,使用時(shí),需要調(diào)用這三個(gè)文件夾下的字典來(lái)進(jìn)行求解。

1) 外網(wǎng)格及模型網(wǎng)格劃分模板及參數(shù)設(shè)置

在OpenFOAM中,首先需要生成外部網(wǎng)格,外網(wǎng)格是采用blockMesh命令來(lái)生成,其調(diào)用的是blockMeshDict字典,該字典內(nèi)命令如表1所示[12]。

表1 blockMeshDict字典命令

對(duì)于本文研究對(duì)象,將block設(shè)定為大于飛機(jī)模型的模板,以保證模型改為機(jī)車或汽車時(shí),模型能夠在block里面,同時(shí)也方便操作者的使用。

生成外網(wǎng)格后,第二步是使用snappyHexMesh調(diào)用位于system文件夾下的snappyHexMeshDict文件,該文件用于在block劃分出所需要的復(fù)雜模型的網(wǎng)格,其主要字典命令如表2所示[12]。

表2 snappyHexMeshDict字典命令

其中,castellatedMeshControls主要用來(lái)控制網(wǎng)格切分,其主要信息如表3所示[12]。

表3 castellatedMeshControls字典命令

在snappyHexMeshDict文件中,大多數(shù)參數(shù)可以按照模板給定,但geometry以及refinementSurfaces需要按照實(shí)際進(jìn)行修改,本文將geometry及refinementSurfaces需要修改的內(nèi)容通過(guò)界面給定,geometry及refinementSurfaces使用如下:

geometry

{

chetif.stl ∥需要用到的stl模型文件名稱

{

type triSurfaceMesh;

name chetif; ∥按照模型文件名稱進(jìn)行修改

}

refinementSurfaces

{

chetif

{

level (3 5); ∥用于指定需要細(xì)化的STL幾何面及它們細(xì)化的最小和最大程度( )。

}

}

2)計(jì)算流程及數(shù)據(jù)文件模板

在進(jìn)行計(jì)算之前,需要對(duì)許多參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,由于OpenFOAM需要設(shè)置的內(nèi)容過(guò)多,本文只對(duì)需要修改的重要參數(shù)進(jìn)行說(shuō)明,其他參數(shù)均為OpenFOAM自帶摩托車算例模板內(nèi)容。

1) 修改速度及壓強(qiáng)

這兩個(gè)參數(shù)位于0文件夾下initialConditions,速度設(shè)置格式為(Ux Uy Uz),壓強(qiáng)通常設(shè)置為0,除此之外,由于采用的kOmegaSST湍流模型(可壓縮-多相),還需在該文件中設(shè)置k及ω,ω表示的是每單位體積單位時(shí)間的能量耗散,ω的倒數(shù)表示湍流的時(shí)間尺度,kω則類似于湍流耗散率ε。在本文中,這兩個(gè)參數(shù)均采用模板數(shù)值。

2) 動(dòng)力粘度系數(shù)v

該參數(shù)位于constant文件夾下的transportProperties文件中,通常設(shè)置為1.5e-5。

3) 求解器選則

該部分參數(shù)位于system文件夾中的fvSolution中,用于設(shè)置矩陣求解器、殘差及其他算法控制,本文求解器選擇simpleFoam求解器,其余參數(shù)均使用默認(rèn)值。

simpleFoam為OpenFOAM中穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動(dòng)(層流或者RAS湍流)求解器,其壓力速度耦合采用的simple算法,simple算法的基本思想為:在流場(chǎng)仿真中,速度場(chǎng)是根據(jù)設(shè)定的壓力場(chǎng)通過(guò)離散形式的控制方程 求得的[13],其通過(guò)迭代方法求解耦合的Navier-Stokes方程。N-S方程表達(dá)式如(1)式所示[14]。

(1)

4) 離散格式

該部分參數(shù)位于system文件夾中的fvShcemes中,本文均采用默認(rèn)參數(shù)值。

5) controlDict設(shè)置

該文件位于system文件夾下,主要用于控制求解開(kāi)始/終止時(shí)間,時(shí)間步及輸出數(shù)據(jù)參數(shù),本文采用輸出數(shù)據(jù)為acsii碼格式。

在完成snappyHexMesh后,算例文件下會(huì)生成1、2、3三個(gè)文件夾,代表三個(gè)時(shí)間步,此時(shí)需要將0文件夾中修改好的問(wèn)價(jià)復(fù)制到3文件夾下,該部分操作通過(guò)C++代碼實(shí)現(xiàn)。

完成上述所有步驟后,向OpenFOAM中輸入simpleFoam命令使其開(kāi)始計(jì)算,計(jì)算耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。

完成計(jì)算后,OpenFOAM會(huì)輸出網(wǎng)格信息及每個(gè)時(shí)間步的速度、壓強(qiáng)變化。網(wǎng)格信息位于constant文件下的polyMesh文件夾,主要有faces、neighbour、owner、points等文件,其中,points內(nèi)容為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo);faces內(nèi)容為組成每個(gè)面單元的節(jié)點(diǎn);owner內(nèi)容對(duì)應(yīng)于faces內(nèi)容,映射了面單元所屬于的體單元;neighbour內(nèi)容同樣對(duì)應(yīng)于faces,映射了面單元相鄰的體單元,該文件只包含內(nèi)部單元,不說(shuō)包含邊界單元。OpenFOAM輸出文件內(nèi)容如圖3。

圖3 OpenFOAM輸出文件格式

由此,完成了OpenFOAM仿真計(jì)算及參數(shù)輸出,結(jié)果可視化可以選用ParaView等軟件進(jìn)行。

3 大型裝備流場(chǎng)性能智能仿真工具開(kāi)發(fā)

工具為OpenFOAM開(kāi)發(fā)了友好的界面,讓操作者能夠直觀的通過(guò)界面輸入求解內(nèi)容并調(diào)用OpenFOAM進(jìn)行求解,同時(shí),本文為簡(jiǎn)單的流場(chǎng)求解,如機(jī)車、汽車等提供了模板算例,使操作者能夠大大節(jié)約時(shí)間,解決了OpenFOAM操作繁瑣的問(wèn)題。

3.1 界面規(guī)劃

軟件主要分為四個(gè)區(qū)域,第一個(gè)區(qū)域?yàn)楣ぷ髀窂皆O(shè)置區(qū)域,內(nèi)容為輸入OpenFOAM可執(zhí)行文件路徑、算例路徑、模型路徑及模型名稱;第二個(gè)區(qū)域?yàn)閰?shù)設(shè)置區(qū)域,內(nèi)容為速度、湍動(dòng)能、湍流頻率及運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)等參數(shù)的輸入;第三個(gè)區(qū)域?yàn)榍蠼鈪?shù)設(shè)置,內(nèi)容為網(wǎng)格細(xì)化程度、求解時(shí)長(zhǎng)及輸出結(jié)果文件的時(shí)間間隔設(shè)置。

軟件的主要功能分為:

1) 界面部分:軟件界面通過(guò)C++及MFC編寫(xiě),通過(guò)將輸入到界面的OpenFOAM執(zhí)行文件、算例文件、模型文件路徑,及用于求解的速度等參數(shù)傳遞到求解器中進(jìn)行求解,并將結(jié)果文件輸出到指定文件夾。

2)求解部分:通過(guò)C++中的CreateProcess函數(shù)及管道技術(shù)來(lái)調(diào)用OpenFOAM可執(zhí)行文件,并向其傳遞運(yùn)算命令,求解部分則使用OpenFOAM內(nèi)的simpleFoam求解器。本文以SimpleFoam求解器為例進(jìn)行相關(guān)功能展示,其他求解器開(kāi)發(fā)亦可采用該方式實(shí)現(xiàn)。

3) 數(shù)據(jù)處理:用于提取計(jì)算生成的流場(chǎng)壓力、速度、加速度、溫度等結(jié)果,并生成可視化所需圖像。

3.2 關(guān)鍵數(shù)據(jù)格式及可視化

軟件功能流程圖如圖5所示。

軟件的操作流程較為簡(jiǎn)單。在運(yùn)行軟件后,首先進(jìn)入一個(gè)初始操作界面,軟件操作界面如圖4所示。操作界面提供了OpenFOAM可執(zhí)行文件路徑輸入框、算例文件輸入框及STL模型文件輸入框,同時(shí)提供了速度、網(wǎng)格細(xì)化等級(jí)、求解時(shí)長(zhǎng)及輸出數(shù)據(jù)時(shí)間間隔等參數(shù)輸入框。計(jì)算結(jié)果采用ParaView查看,并將圖像返回到軟件界面,如圖5所示。

圖4 軟件初始操作界面示意圖

圖5 軟件功能流程圖

4 仿真平臺(tái)應(yīng)用案例

采用上述軟件開(kāi)發(fā)方法,實(shí)現(xiàn)了三類重要裝備流場(chǎng)性能仿真。

4.1 航天器流場(chǎng)性能仿真及結(jié)果可視化

由于缺少航天器相關(guān)知識(shí),無(wú)法獲得航天器在運(yùn)行時(shí)的環(huán)境參數(shù),本文選用飛機(jī)著陸時(shí)的環(huán)境參數(shù)及速度。在飛機(jī)著陸時(shí),由于硬著陸或不適當(dāng)?shù)闹懠夹g(shù),導(dǎo)致輪胎(由于空氣或陸地撞擊)及減震支柱產(chǎn)生較高應(yīng)力,導(dǎo)致它們更快磨損或斷裂,對(duì)飛機(jī)造成損壞,因此對(duì)飛機(jī)的仿真是十分有必要的。本文選用著陸速度為35m/s,湍動(dòng)能為8,湍流頻率為52,運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)為1.5e-05。計(jì)算后通過(guò)ParaView返回圖像如圖6所示。

圖6 飛機(jī)模型壓力場(chǎng)

4.2 機(jī)車流場(chǎng)性能仿真及結(jié)果可視化

電力機(jī)車作為鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾巧?研究其運(yùn)動(dòng)時(shí)車頭壓力分布是十分有必要的。本文取電力機(jī)車運(yùn)行速度132km/h、湍動(dòng)能0.24、湍流頻率1.78、運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)1.5e-05[15]。在界面輸入?yún)?shù)后,通過(guò)ParaView輸出其壓力云圖,并返回到界面如圖7所示。

圖7 機(jī)車模型壓力場(chǎng)

4.3 汽車流場(chǎng)性能仿真及結(jié)果可視化

對(duì)汽車而言,CFD對(duì)計(jì)算其車體所受壓力及汽車車身造型設(shè)計(jì)都具有重要作用,在高速運(yùn)行時(shí),汽車服役環(huán)境與電力機(jī)車相差很小,本文取汽車速度為120km/h[10],其余參數(shù)參照4.2節(jié)中電力機(jī)車參數(shù),計(jì)算后通過(guò)ParaView返回圖像如圖8所示。

圖8 汽車模型壓力場(chǎng)

5 結(jié)論

1)開(kāi)發(fā)的OpenFOAM界面軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)常態(tài)服役情況的機(jī)車、汽車及飛機(jī)等交通工具進(jìn)行流場(chǎng)仿真并計(jì)算出其壓力場(chǎng)用于應(yīng)力計(jì)算。

2)軟件具有簡(jiǎn)單、友好的界面,操作簡(jiǎn)潔,使操作者能夠準(zhǔn)確在界面輸入求解來(lái)獲得壓力場(chǎng)結(jié)果。

3)通過(guò)上述算例可以發(fā)現(xiàn),對(duì)機(jī)車、汽車及飛機(jī)等進(jìn)行壓力場(chǎng)計(jì)算是十分有必要的,可以用來(lái)預(yù)測(cè)壓力是否會(huì)引起這些大型裝備外部的變形。

4)由于軟件局限性,只能對(duì)單一服役情況的機(jī)車、汽車及飛機(jī)進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算,并且在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中只使用了OpenFOAM中的simpleFoam求解器,OpenFOAM所包含的內(nèi)容還有很多沒(méi)有進(jìn)行開(kāi)發(fā),需要進(jìn)一步改善。