燃?xì)鈴椛鋬?nèi)彈道二維數(shù)值仿真軟件開發(fā)①

張學(xué)鋒, 管仕敏, 儲(chǔ)岳中

(安徽工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,馬鞍山 243002)

引言

關(guān)于彈射器方面的研究,歷經(jīng)了眾多的階段,其中包括彈簧式,液壓式,壓縮空氣式彈射器,如今使用最廣泛的就是燃?xì)馐?燃?xì)庹羝揭约半姶攀綇椛淦? 本文所研究的就是燃?xì)馐綇椛淦?通過建立二維軸對(duì)稱模型,加以借助流體力學(xué)軟件Fluent模擬發(fā)射系統(tǒng)的速度場(chǎng),運(yùn)動(dòng)場(chǎng),以及壓力場(chǎng)等分布規(guī)律,得到內(nèi)彈道參數(shù)流場(chǎng)分布云圖. 通過設(shè)定初容室結(jié)構(gòu),入流條件和發(fā)射環(huán)境等參數(shù)快速建立導(dǎo)彈彈射內(nèi)彈道數(shù)值計(jì)算模型輸出發(fā)射筒溫度,壓強(qiáng)和導(dǎo)彈內(nèi)彈道仿真結(jié)果,運(yùn)用到實(shí)際應(yīng)用中,降低一定的實(shí)驗(yàn)成本. 計(jì)算機(jī)仿真軟件可以重復(fù)的進(jìn)行仿真計(jì)算,避免實(shí)際實(shí)驗(yàn)所帶來的一系列損耗.

目前,關(guān)于內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型的數(shù)值仿真,已經(jīng)有了眾多的研究數(shù)據(jù). 文獻(xiàn)[1]以自彈式彈射器為例,對(duì)比低壓室下二維模型和零維模型的數(shù)據(jù),得出零維模型具有計(jì)算量小,工作效率高等優(yōu)勢(shì),但是并不能更好的描述彈射器低壓室內(nèi)彈道特性,尤其是低壓室內(nèi)的壓力分布特性. 文獻(xiàn)[2]利用遺傳優(yōu)化算法對(duì)5個(gè)待定參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,利用四階龍格庫(kù)塔以及迭代算法對(duì)內(nèi)彈道理論方程組進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)一步的優(yōu)化內(nèi)彈道參數(shù)值,使零維模型理論計(jì)算得到的結(jié)果更具有參考價(jià)值. 本文著重對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射過程中建立二維內(nèi)彈道模型,通過設(shè)置幾何建模參數(shù)以及流體建模參數(shù),仿真輸出內(nèi)彈道相關(guān)曲線以及流場(chǎng)云圖等. 眾所周知,目前功能最全面,適用性最廣,國(guó)內(nèi)使用最廣泛的CFD軟件之一就是Fluent[3]. 其強(qiáng)大的計(jì)算功能正是我們這款仿真軟件所需的,但是Fluent由于全英文的界面,桎梏了眾多的國(guó)內(nèi)用戶,畢竟并不是所有的人都熟悉英語(yǔ),此外,Fluent的參數(shù)設(shè)置也是十分的復(fù)雜,使用人員通常都是需要花費(fèi)眾多的精力去了解并且掌握其參數(shù)設(shè)置. 為此,本文對(duì)Fluent進(jìn)行二次開發(fā),避免上述的兩個(gè)問題,實(shí)現(xiàn)在交互界面設(shè)置參數(shù)直接調(diào)用Fluent軟件進(jìn)行二維內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型仿真評(píng)估.

1 基于Fluent的二次開發(fā)技術(shù)

采用Fluent對(duì)內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型進(jìn)行流動(dòng)求解計(jì)算是內(nèi)彈道工程設(shè)計(jì)的重要部分. 針對(duì)上述所說關(guān)于Fluent使用的兩個(gè)弊端,在此我們?cè)?Net Microsoft Visual Studio 2010平臺(tái)下運(yùn)用C#語(yǔ)言對(duì)Fluent進(jìn)行二次開發(fā),將Scheme日志文件作為C#與Fluent數(shù)據(jù)交互的接口,建立了導(dǎo)彈、發(fā)射筒、初容室、導(dǎo)流錐等幾何建模參數(shù)設(shè)置,以及燃?xì)鈪?shù)、初始條件、邊界設(shè)置等流體建模參數(shù)設(shè)置. 通過在軟件GUI界面中動(dòng)態(tài)設(shè)置參數(shù)從而修改Scheme接口文件驅(qū)動(dòng)Gambit進(jìn)行網(wǎng)格建模,然后啟動(dòng)Fluent實(shí)現(xiàn)彈射內(nèi)彈道流場(chǎng)數(shù)值仿真模擬[4,5].

1.1 二次開發(fā)接口

在.Net平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)對(duì)Gambit以及Fluent軟件的二次開發(fā),其需要克服的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)就是如何通過C#語(yǔ)言成功的調(diào)用Gambit和Fluent,實(shí)現(xiàn).Net平臺(tái)與Gambit、Fluent的數(shù)據(jù)交互. 針對(duì)這個(gè)問題文獻(xiàn)[4]有著詳細(xì)的描述. 文獻(xiàn)[4]描述的是VB語(yǔ)言對(duì)Fluent進(jìn)行二次開發(fā),本文注重的是C#語(yǔ)言對(duì)Fluent語(yǔ)言的二次開發(fā),二者有著異曲同工的思想. 由于Gambit和Fluent均支持一種完備的日志文件體系,所有的操作過程都被保存在日志文件即Journal文件中. 其新生成的Journal文件涉及許多內(nèi)彈道變量值,其大部分的代碼都是相同的,需要蓋面的只是一些重要參數(shù),本文通過變量替換法動(dòng)態(tài)改變對(duì)應(yīng)的參數(shù)值,從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與軟件的無縫對(duì)接.

1.2 日志文件(Journal文件)的編寫

參數(shù)化建模就是動(dòng)態(tài)修改所建立的模型日志文件,通過參數(shù)化日志文件實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模. 用戶通過內(nèi)彈道仿真軟件界面輸入導(dǎo)彈、初容室、發(fā)射筒、導(dǎo)流錐各項(xiàng)參數(shù)建立符合自己需求的彈射內(nèi)彈道模型.

文本用戶界面(Text User Interface,TUI)是Fluent軟件開發(fā)預(yù)留了一種的程序語(yǔ)言,編寫在日志文件(Journal文件)便于Fluent軟件調(diào)用執(zhí)行參數(shù)化建模、流體并行計(jì)算. 本文講述的仿真軟件就是利用TUI語(yǔ)言編寫的.jou文件,進(jìn)行重復(fù)性仿真建模計(jì)算. 作為C#語(yǔ)言與Gambit和Fluent軟件的數(shù)據(jù)交互接口,其日志文件(Journal文件)編寫是十分重要的,攻克這一難點(diǎn),該仿真軟件的開發(fā)就等于攻克了一大堡壘. 下面就詳細(xì)講述Journal文件基本的編寫格式.

Gambit日志文件編寫的基本語(yǔ)法規(guī)則與格式：

(1) vertex create coordinates 0 0 0為創(chuàng)建一個(gè)節(jié)點(diǎn),3個(gè)零代表X、Y、Z軸方向的坐標(biāo).

(2) $RChmI=93為定義一個(gè)參數(shù)RChmI,其值為93.

(3) vertex cmove “vertex.27” multiple 1 offset ($RChmI)0 0表示以上述創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)為參照再創(chuàng)建一個(gè)X=RChmI的點(diǎn). 這樣我們可以動(dòng)態(tài)修改RChmI的值來修改節(jié)點(diǎn)的X點(diǎn)坐標(biāo).

(4) edge create straight “vertex.31” “vertex.43” 表示兩個(gè)參數(shù)節(jié)點(diǎn)連成線vertex.31、vertex.43表示創(chuàng)建的第31個(gè)節(jié)點(diǎn)和第43個(gè)節(jié)點(diǎn).

(5) volume mesh “volume.1” tetrahedral size 5 為劃分網(wǎng)格.

(6) physics create “inlet” btype “PRESSURE_INLET”edge “edge.6”表示創(chuàng)建邊界條件,以 inlet為例,邊界類型選擇為PRESSURE_INLET壓力入口.

(7) export fluent5 “輸出文件的目錄生成文件的名字.msh”輸出后綴名為.msh的文件并為后續(xù)Fluent流體計(jì)算做準(zhǔn)備.

Fluent日志文件的編寫不同于Gambit日志文件,Fluent本身不能自動(dòng)替換參數(shù)的值,而且語(yǔ)言復(fù)雜,這就需要手動(dòng)生成一個(gè)日志文件模板,包括邊界條件的設(shè)置、流動(dòng)求解控制參數(shù)設(shè)置,然后通過編程對(duì)日志文件進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改. Fluent日志文件基本語(yǔ)句與格式如下所示：

(1) (cx-gui-do cx-set-text-entry “Select File*Text”“文件路徑 s.cas”)表示讀入文件路徑下所需要的ts.cas文件.

(2) (cx-gui-do cx-set-text-entry “Select File*Text”網(wǎng)格文件名.msh)表示讀入文件路徑下所需要的網(wǎng)格文件.

(3) Boundary-conditions/velocity 定義邊界條件.

(4)(cx-gui-docx-set-real-entry-list“Operating Conditions*Frame1*Table1*Frame1(Pressure)*Table1(Pr essure)*RealEntry2(Operating Pressure)” '( 101325))為設(shè)置初始時(shí)刻壓力值為101325.

(5) (cx-gui-docx-set-real-entry-list“wall-6-1*Frame4*Frame3(Thermal)*Frame1*Frame1(Thermal Conditions)*Frame7*Table7*RealEntry8(Wall Thickness)” '( 0.005))為設(shè)置初始條件壁面厚度為0.005.

用TUI語(yǔ)言編寫的Journal日志文件通俗易懂、操作方便,運(yùn)用C#對(duì)Fluent進(jìn)行二次開發(fā),通過軟件GUI界面進(jìn)行內(nèi)彈道參數(shù)設(shè)計(jì),動(dòng)態(tài)生成所需的Journal日志文件,完成參數(shù)化建模與流體并行計(jì)算過程.

1.3 Fluent與Gambit的代碼調(diào)用

關(guān)于Gambit與Fluent的調(diào)用,網(wǎng)上有著眾多的資料,大體歸結(jié)于兩種方案,方案一是通過WinExec()函數(shù)調(diào)用,其二就是通過Shell()函數(shù)調(diào)用. 本文采用的是批處理文件(bat文件)控制參數(shù)的方法調(diào)用Gambit和Fluent軟件,文件內(nèi)容指示Gambit,Fluent按照指定的路徑讀取Journal日志文件,保存計(jì)算結(jié)果到指定的目錄中. 調(diào)用過程共分為先動(dòng)態(tài)生成規(guī)定格式的批處理文件,然后編程開啟進(jìn)程運(yùn)行此批處理文件,完成調(diào)用部分[6].

Gambit的bat文件內(nèi)容由Gambit的安裝路徑、Gambit的版本號(hào)以及Gambit運(yùn)行的Journal文件的路徑組成,具體形式如下：

C：Fluent.Incgambit tbin tx86gambit.exe -r2.4.6-init D：CFDBaseBase_Gam.jou.

相應(yīng)的Fluent的bat文件與Gambit的bat文件內(nèi)容相近,只是Fluent的bat文件多了一個(gè)2d,3d的計(jì)算模型的設(shè)定,具體形式如下：

“C：ansys15ANSYSIncv150fluent tbinwin64Fluent.exe” -r15.0.0 2d -t4 -i D：CFDBaseBase_Flu.jou.

軟件動(dòng)態(tài)生成批處理文件后,通過調(diào)用VS的基礎(chǔ)庫(kù),開啟進(jìn)程是實(shí)現(xiàn)對(duì)Gambit和Fluent的外部調(diào)用.然后Gambit和Fluent會(huì)按照J(rèn)ournal文件運(yùn)行規(guī)范,完成網(wǎng)絡(luò)建模與流體計(jì)算過程,并且在計(jì)算結(jié)束后實(shí)時(shí)將結(jié)果傳至軟件界面.

2 軟件分析與設(shè)計(jì)

2.1 軟件功能結(jié)構(gòu)

燃?xì)鈴椛鋬?nèi)彈道數(shù)值仿真集成軟件的結(jié)構(gòu)流程圖如圖1所示. 該軟件分為理論計(jì)算和仿真評(píng)估模塊. 本文側(cè)重講解的是燃?xì)鈴椛鋬?nèi)彈道二維數(shù)值仿真軟件的開發(fā),也就是上述所說的仿真評(píng)估模塊. 燃?xì)鈴椛鋬?nèi)彈道二維數(shù)值仿真軟件建立相應(yīng)的發(fā)射系統(tǒng)燃?xì)饬饔?jì)算模型[7-9],設(shè)定流體力學(xué)計(jì)算仿真參數(shù),先調(diào)用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格建模后調(diào)用Fluent求解器自動(dòng)求解計(jì)算.

“燃?xì)鈴椛鋬?nèi)彈道”以彈射導(dǎo)彈為典型研究對(duì)象,通過設(shè)定發(fā)射系統(tǒng)仿真平臺(tái)參數(shù),能夠快速,準(zhǔn)確的建立相應(yīng)的導(dǎo)彈彈射內(nèi)彈道理論計(jì)算模型和流體參數(shù)化計(jì)算模型. 并根據(jù)設(shè)定參數(shù)快速的進(jìn)行計(jì)算,完成導(dǎo)彈彈射過程中設(shè)定的參數(shù)化求解目標(biāo),進(jìn)行導(dǎo)彈發(fā)射過程中發(fā)射筒內(nèi)壓力與溫度、導(dǎo)彈內(nèi)彈道參數(shù)等預(yù)測(cè)與評(píng)估,為導(dǎo)彈彈射內(nèi)彈道評(píng)估提供理論和技術(shù)支持以及為典型導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)方案論證提供決策支持.

2.2 軟件模型建立以及模型求解

燃?xì)鈴椛鋬?nèi)彈道二維數(shù)值仿真軟件開發(fā)的主要核心就是利用流體力學(xué)分析軟件Fluent進(jìn)行分析計(jì)算.

幾何網(wǎng)格建模主要由外部調(diào)用Gambit軟件實(shí)現(xiàn),其參數(shù)設(shè)置包括彈射動(dòng)力裝置幾何參數(shù)、導(dǎo)流錐、初容室、發(fā)射筒和導(dǎo)彈等參數(shù). 這些參數(shù)的設(shè)置用戶可以通過軟件的GUI界面對(duì)擴(kuò)展模型中的參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)置并進(jìn)行仿真建模. 其數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示.

圖1 軟件分析流程圖

圖2 網(wǎng)格模型

流體并行計(jì)算是通過外部調(diào)用Fluent軟件實(shí)現(xiàn),其參數(shù)的設(shè)置包括燃?xì)鈪?shù)、計(jì)算初始條件、邊界條件設(shè)置. 建模參數(shù)完成后通過軟件代碼動(dòng)態(tài)生成Journal文件、.c文件. 由上述所述可知,Journal文件內(nèi)容大致相同,不同的僅僅是參數(shù)化變量取值,因此用戶在GUI界面輸入相應(yīng)的網(wǎng)格建模、流體計(jì)算相關(guān)參數(shù),軟件實(shí)現(xiàn)這些參數(shù)的替換,形成新的Journal文件以及.c文件,從而進(jìn)行重復(fù)性的網(wǎng)格建模與并行計(jì)算. 其整體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示.

3 軟件應(yīng)用實(shí)例

燃?xì)鈴椛鋬?nèi)彈道二維數(shù)值仿真軟件主要由兩部分組成,分別是參數(shù)化仿真與外推仿真. 以VS2010為軟件開發(fā)工具,利用C#編程調(diào)用Gambit以及Fluent,在Windows環(huán)境下使用. 由于保密協(xié)定,軟件的具體界面設(shè)計(jì)就不再截圖具體說明,以下用文字簡(jiǎn)要概述： 該軟件界面主要分為4個(gè)版面,分別是菜單欄,模塊選擇,參數(shù)修改區(qū)以及三維模型顯示區(qū). 其模塊選擇區(qū)域顯示參數(shù)化仿真以及外推仿真,二者仿真的區(qū)別就在于入口條件的不同,參數(shù)化仿真是將發(fā)動(dòng)機(jī)噴管作為壓力入口進(jìn)行計(jì)算的,而外推仿真是將已知實(shí)驗(yàn)得到的發(fā)射筒內(nèi)的壓力與溫度變化規(guī)律,將它們作為入口條件進(jìn)行內(nèi)彈道仿真計(jì)算. 其三維模型顯示區(qū)域是利用OpenGL(Open Graphics Library)繪制的彈射內(nèi)彈道三維模型示意圖如圖4所示. 用戶如果通過GUI界面修改內(nèi)彈道的相關(guān)參數(shù),三維模型也會(huì)相應(yīng)的動(dòng)態(tài)改變.使用戶更加清晰,直觀的理解彈射內(nèi)彈道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

燃?xì)鈴椛鋬?nèi)彈道二維數(shù)值仿真軟件的結(jié)果輸出包括三個(gè)方面,分別是曲線輸出,流場(chǎng)云圖輸出以及動(dòng)畫輸出. 用戶通過軟件GUI界面設(shè)置好模型參數(shù),先通過Gambit建立網(wǎng)格模型,然后利用Fluent對(duì)所建立的二維軸對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行數(shù)值模擬,通過UDF導(dǎo)出流場(chǎng)特定空間點(diǎn)發(fā)射筒平均壓力、平均溫度以及導(dǎo)彈相關(guān)運(yùn)動(dòng)曲線,并且生成內(nèi)彈道各時(shí)刻云圖和動(dòng)畫. 各內(nèi)彈道曲線圖如圖5所示.

圖6,圖7顯示的是高壓室0.1 s和0.3 s的壓力云圖,對(duì)比云圖左側(cè)的刻度值,從左側(cè)可以看出0.1 s的壓力是429 596 Pa,0.3 s時(shí)壓力增高到1172 599 Pa. 這是由于開始燃?xì)鈴椛鋾r(shí),燃燒藥柱,產(chǎn)生大量的高壓氣體有噴管進(jìn)入發(fā)射筒,從而在尾罩底部空間形成燃?xì)鈮毫?驅(qū)使導(dǎo)彈向上運(yùn)動(dòng),發(fā)射出去[10],因此高壓室達(dá)到一種高壓狀態(tài),有關(guān)高壓室溫度流場(chǎng)以及速度流場(chǎng)在此就不一一贅述了[11].

圖3 燃?xì)鈴椛鋬?nèi)彈道二維數(shù)值仿真軟件結(jié)構(gòu)圖

圖4 彈射內(nèi)彈道三維模型示意圖

圖5 內(nèi)彈道曲線輸出

圖6 0.1 s高壓室壓力云圖

動(dòng)畫輸出包括3部分,分別是壓力動(dòng)畫、溫度動(dòng)畫、以及速度動(dòng)畫,如圖8所示,用戶可以操作軟件顯示不同的動(dòng)畫文件.

圖7 0.3 s高壓室壓力云圖

圖8 內(nèi)彈道動(dòng)畫輸出

4 結(jié)束語(yǔ)

燃?xì)鈴椛鋬?nèi)彈道二維數(shù)值仿真軟件開發(fā)的核心部分就是運(yùn)用C#語(yǔ)言對(duì)Fluent進(jìn)行二次開發(fā). 工程人員在軟件的界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì),該軟件就可以研究不同配比條件下,壓力、流場(chǎng)、溫度等流場(chǎng)數(shù)據(jù). 本軟件極大的節(jié)省了工程人員花費(fèi)大量的時(shí)間去研究Fluent軟件的參數(shù)設(shè)置,很大程度上提高了科研人員的工作效率,適合做重復(fù)性實(shí)驗(yàn)研發(fā),為燃?xì)饬鲌?chǎng)參數(shù)的預(yù)估和試驗(yàn)測(cè)量提供理論和技術(shù)支持. 今后將繼續(xù)更加深入的研究以及完善此軟件,建立多平臺(tái)發(fā)射系統(tǒng)的基于流體力學(xué)的參數(shù)化結(jié)構(gòu)分析軟件,完成對(duì)車載箱式垂直熱發(fā)射、車載掛式垂直熱發(fā)射、車載筒式垂直熱發(fā)射等多平臺(tái)發(fā)射系統(tǒng)流體力學(xué)仿真分析.

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