發(fā)動機氣道CFD分析流程自動化研究

姜 濤，羅馬吉，向梁山，宋秀萍

(1.武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢430070;2.勝利油田勝動集團，山東 東營257000)

計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)技術(shù)在與流動有關(guān)的工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用［1－2］，為產(chǎn)品的開發(fā)和優(yōu)化設(shè)計做出了巨大貢獻。而傳統(tǒng)的CFD技術(shù)在滿足更高的設(shè)計要求和更低的設(shè)計周期方面，面臨著極大的挑戰(zhàn)。為了縮短產(chǎn)品設(shè)計及研發(fā)周期，提高CFD工作的效率和質(zhì)量，對于CFD分析流程自動化的研究孕育而生，并受到越來越多的重視。

國外對CFD流程自動化的研究做了大量工作，取得了較大進展，并在實踐中得到了很好的應(yīng)用。如美國MOBERG等［3］利用三維CFD技術(shù)對軸向多級GT壓縮機葉片進行了自動化仿真，提高了壓縮機優(yōu)化設(shè)計的效率;IDAHOSA等［4］利用集成的CFD/MD系統(tǒng)，實現(xiàn)了風機葉片自動化優(yōu)化設(shè)計;SZEMA等［5］開發(fā)了一種基于空氣動力學的自動優(yōu)化設(shè)計工具，利用它能夠自動創(chuàng)建幾何模型、生成面網(wǎng)格和體網(wǎng)格，并對某型運輸機機翼進行了優(yōu)化設(shè)計，得到了很好的效果。國內(nèi)對于CFD流程自動化的研究較少，尚處于起步階段。閻超等［6］成功開發(fā)了基于Visual Basic和Fortran語言的混合編程的完全界面化、自動化的戰(zhàn)術(shù)導彈先進CFD系統(tǒng)平臺，并得到成功的運用。

近年來，CFD方法已經(jīng)成為發(fā)動機氣道設(shè)計分析和優(yōu)化不可缺少的重要技術(shù)，而氣道CFD分析流程自動化，也逐漸成為業(yè)界關(guān)心的問題。筆者根據(jù)成熟的發(fā)動機氣道CFD分析流程，基于CFD分析軟件Star－ccm+和Java編程語言，提出了一種實現(xiàn)發(fā)動機氣道CFD分析流程自動化的方案。

1 發(fā)動機氣道CFD分析流程

采用CFD技術(shù)對發(fā)動機進氣道流動特性進行計算分析，不僅可以獲得進氣道、氣門和氣缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其相對位置對流動特性的影響，而且可以得到其內(nèi)部流場的大量信息。近年來，CFD技術(shù)在發(fā)動機氣道分析方面得到了越來越廣泛的研究與應(yīng)用。例如，羅馬吉等［7］采用三維數(shù)值模擬的方法對某摩托車發(fā)動機進氣過程的氣體流動進行了瞬態(tài)模擬;吳浩［8］利用UG和Fire軟件研究了螺旋進氣道主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣道性能的影響;李明海等［9］利用數(shù)值模擬對螺旋進氣道結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，并提出了改進措施。根據(jù)目前發(fā)動機氣道CFD分析文獻可以總結(jié)出發(fā)動機氣道CFD分析基本流程包括:幾何模型文件導入及表面處理;表面網(wǎng)格和體網(wǎng)格劃分;模擬計算參數(shù)的設(shè)定，包括壁面條件的設(shè)定、進出口邊界條件的設(shè)定和物理模型的選擇;求解的設(shè)置及計算和計算結(jié)果的處理。

2 CFD分析流程自動化開發(fā)工具

發(fā)動機氣道CFD分析流程自動化開發(fā)工具要求具有強大的CFD仿真分析功能，利用它能夠完成氣道CFD分析的整個流程，并得到與試驗值相符的結(jié)果。同時，要求能夠用于二次開發(fā)，擁有API接口，并且有工具或方法使它能夠與某類匯編語言方便地結(jié)合在一起。筆者選用CFD軟件Star－ccm+和Java語言作為實現(xiàn)發(fā)動機氣道CFD分析流程自動化的工具。

CFD分析軟件Star－ccm+是CD－adapco集團推出的新一代CFD軟件，采用最先進的連續(xù)介質(zhì)力學算法，并與卓越的現(xiàn)代軟件工程技術(shù)結(jié)合在一起，擁有出色的性能、精度和高可靠性。Star－ccm+具有三大特點:一是功能強大(幾何模型導入和表面處理、網(wǎng)格生成和邊界條件設(shè)定、計算求解和后處理);二是采用最新的計算方法(基于面的求解器、分離求解器和耦合求解器);三是開放性強(具有 API接口，可以讀取多種CAD模型數(shù)據(jù)，包括 CATIA V4/V5、Pro/ENGINEER、Unigraphics NX、SolidWorks、Autodesk Inventor文件)［10］。Star－ ccm+ 的這些特點，使其在計算機輔助分析、設(shè)計和仿真中得到了廣泛的應(yīng)用。

Star－ccm+采用Java語言編寫的跨平臺用戶界面，允許用戶使用Java語言編寫程序，通過API接口進行Star－ccm+二次平臺開發(fā)，因此，可以用于CFD流程自動化開發(fā)。目前使用的是Star－ccm+4.02。

Java語言是一種易學易用的匯編語言，廣泛用于嵌入式開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件和企業(yè)管理軟件開發(fā)等領(lǐng)域。NetBeans和Eclipse是兩款基于Java的、開放源代碼的可擴展開發(fā)平臺，用戶可以根據(jù)需求自行開發(fā)相應(yīng)功能，編寫自己需要的用戶界面(GUI)。這樣，通過 Star－ccm+提供的API接口，就可以調(diào)用由Java語言編寫的宏文件，實現(xiàn)Star－ccm+功能用戶界面的操作，實現(xiàn)CFD分析流程的自動化和界面化。

3 CFD分析流程自動化開發(fā)解決方案

3.1 需要解決的關(guān)鍵問題

計算流體軟件Star－ccm+與用戶界面面板之間的數(shù)據(jù)交換，是氣道CFD分析流程自動化開發(fā)需要解決的關(guān)鍵問題。用戶只面向窗口式的用戶界面進行操作即可完成分析的相應(yīng)流程，但是進行數(shù)據(jù)處理和計算工作的是應(yīng)用層，即Starccm+，用戶界面層與應(yīng)用層之間需要交互式完成分析工作，兩者之間的數(shù)據(jù)能否實現(xiàn)順利交換，直接決定著該平臺能否成功。

GUI層與應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)交換，可以通過在主函數(shù)和面板窗口源文件函數(shù)中添加必要的程序語言，來實現(xiàn)主函數(shù)與窗口源文件函數(shù)之間的鏈接。GUI的Java程序不僅包含用戶界面組件程序語言，而且還有實現(xiàn)各個操作和功能的方法程序。通過方法程序，就可以直接讀取到Starccm+進行氣道CFD分析的各個類庫，并利用Star－ccm+完成從網(wǎng)格劃分到求解全過程。

3.2 獲取實現(xiàn)CFD分析功能的方法

從CFD應(yīng)用程序Star－ccm+中獲取到實現(xiàn)CFD分析功能的方法是在Star－ccm+進行CFD分析過程中，實現(xiàn)某種功能的程序語言代碼。方法的獲取主要包括以下兩部分:

(1)錄制Star－ccm+進行CFD分析的宏文件。CFD分析的宏文件包括用戶在Star－ccm+中進行CFD分析的操作代碼和流程代碼。利用Star－ccm+軟件可以直接進行宏文件的錄制。

(2)抽取宏文件中的變量和方法。從宏文件中抽取的變量是Star－ccm+進行CFD分析所需要的參數(shù)(如參考溫度、參考壓力和速度值等)。抽取的方法是Star－ccm+進行CFD分析時的操作(如模型導入、網(wǎng)格劃分和保存文件等)程序代碼。方法由多條語句組成，并且含有一個或多個局部變量。在Java工作平臺完成宏文件中變量和方法的抽取。

3.3 窗口式用戶界面設(shè)計及功能實現(xiàn)

窗口式用戶界面是CFD分析流程自動化平臺的重要組成部分，是在Java工作平臺Eclipse上完成的，包括以下3個步驟:

(1)窗口式用戶界面的設(shè)計。窗口式用戶界面是面向使用者的界面，使用者進行CFD分析時，只需要借助該界面，通過鼠標和鍵盤輸入必要的數(shù)據(jù)，就可完成CFD分析的整個流程。窗口式用戶界面簡潔，操作方便，降低了工程技術(shù)人員對CFD相關(guān)知識的要求。用戶界面源程序包括主程序和面板窗口源程序。

(2)窗口式用戶界面功能的實現(xiàn)。窗口式用戶界面制作完畢，就需要對面板中的按鈕添加從運用程序Star－ccm+中提取的事件和方法。這樣每進行一次按鈕操作，就可以觸發(fā)相應(yīng)的事件和方法。

(3)用戶界面與Star－ccm+接口程序編寫。用戶界面和Star－ccm+接口程序用于實現(xiàn)使用者在用戶界面的操作，能夠調(diào)用到Star－ccm+宏文件中定義的類庫和方法，并讓軟件能夠識別這些類庫和方法。通過編寫用戶界面和Star－ccm+接口程序?qū)崿F(xiàn)Star－ccm+與用戶界面面板之間的數(shù)據(jù)交換。在用戶界面主程序中寫入下列語句完成對操作方法的調(diào)用:

在窗口面板源程序中通過寫入下列語句完成對Star－ccm+類庫的調(diào)用:通過上述3個步驟可完成窗口式用戶界面設(shè)計及功能的實現(xiàn)。

3.4 流程自動化的實現(xiàn)

方法程序和窗口式用戶界面程序編寫完成以后，就可以實現(xiàn)流程的自動化過程。在Star－ccm+軟件中，通過運行宏文件的方式，運行與GUI相關(guān)聯(lián)的主函數(shù)，就會自動彈出窗口式用戶界面，按照提示操作，可完成CFD分析流程自動化。CFD流程自動化數(shù)據(jù)傳輸過程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸過程

4 發(fā)動機氣道CFD分析流程自動化平臺

根據(jù)筆者提出的發(fā)動機氣道CFD流程自動化方案，以CD－adapco集團開發(fā)的CFD分析軟件Star－ccm+和Java工作平臺Eclipse為開發(fā)工具，成功開發(fā)了簡單的氣道CFD自動化分析平臺，平臺界面如圖2所示。該平臺能夠完成氣道CFD分析的整個流程，包括模型導入、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)定及計算、可視化截面設(shè)計、圖形輸出和參數(shù)分析整個過程。使得工程師從簡單重復(fù)性的氣道CFD分析工作中解脫出來，把更多的精力投入到發(fā)動機性能改進和新產(chǎn)品開發(fā)之中。

5 結(jié)論

筆者提出了一種實現(xiàn)發(fā)動機氣道CFD分析流程自動化的方法，介紹了CFD分析軟件Starccm+和Java匯編語言在實現(xiàn)整個流程中的應(yīng)用情況和步驟，并開發(fā)了簡單的氣道CFD自動化分析平臺。氣道CFD自動化分析平臺的開發(fā)，可以較大地降低使用人員對計算流體力學專業(yè)知識的要求，提高工作效率。它在節(jié)省研制經(jīng)費、縮短仿真周期等方面具有重要意義，使計算機輔助工程分析能夠更好地指導產(chǎn)品的改進和研發(fā)。

［1］謝玲玲，陳順懷.應(yīng)用FLUENT軟件優(yōu)化船舶阻力性能［J］.華中科技大學學報:自然科學版，2009，37(6):101－103.

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［9］李明海，王磊，崔洪江.基于數(shù)值模擬的螺旋進氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.內(nèi)燃機車，2009，424(6):16 －21.

［10］西迪阿特信息科技(上海)有限公司.Star－ccm+概述［M/OL］.［2011 －11 －13］.http://www.cdaj－ china.com/product/show.aspx?CID=723390690 14638592＆ID=7.