基于CFD的風洞及循環水槽設計系統程序開發

蔣望梁，陳作鋼

1 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240

2 上海交通大學 高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200240

3 上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240

0 引 言

循環水槽是一種將待測物體固定，利用循環水流的相對流動來測定物體水動力性能的試驗設備。風洞以同樣的方式考察物體的氣動力學性能。此類設備的突出特點是：它們可以實現對流體動力及精細流場特性進行長時間、多目標、自動化測量，從而為部分要求進行持續性觀測的試驗創造了先決條件。因此，循環水槽和風洞已被廣泛應用于各類流體力學的試驗之中。

風洞和循環水槽的設計主要采用傳統的設計方法[1-2]，其所涉及的相關公式和設計經驗經過歷代研究人員的試驗而逐步豐富，很大程度上為現階段的設計提供了參考。但傳統的設計方法也有一定的限制，例如已有經驗公式和試驗數據覆蓋面不夠充分，一方面，在大雷諾數范圍內對拐角等部段的試驗數據尚有空白，在拐角、擴張段等部位有可能存在流動分離，導致經驗公式預報和實測數據常有較大差距；另一方面，從分段參數確認到總體性能考察的整個過程工作量很大，且無法實現最優化設計。而隨著CFD技術的快速發展，近年來，國內外研究團隊以CFD技術為手段，開展了風洞和循環水槽內部流場的模擬和優化等工作，取得了出色的研究成果。Chen等[3]建立全局模型對循環水槽進行了模擬，采用多重參考系（multiple reference frame，MRF）模型實現了葉輪的加速，運用流體體積法（VOF法）預報了試驗段自由液面，對流場細節展開了分析和優化；李金成等[4]采用CFD方法對分層流循環水槽的內部隔板進行了優化設計，研判了不均勻沉降對水槽性能的影響；代燚[5]建立了包含影響風洞內部流場指標的全部要素的總體模型，其數值模擬結果更精細地再現了風洞的內部流場，預報了各部段的壓力損失、流量和風扇功率；李啟良等[6]用數值仿真技術研究了風洞結構對試驗段靜壓系數和靜壓梯度的影響，總結了在不同噴口尺寸、不同收集口高度下兩者的變化規律；于昌利[7]建立了循環水槽局部模型并進行數值模擬，通過深入研究循環水槽彎管、導流片形式及收縮曲線對流場均勻性的影響，最終得到了優選的導流片形式和收縮曲線。

綜上所述，現階段實現CFD設計已成為可能，但在研究過程中大量運用CFD技術則意味著在前、后處理階段需要投入大量人力，即前處理階段的三維建模和網格劃分過程以及后處理階段的原始數據處理也都需要人工才能實現。可見，現階段CFD設計存在一些限制，如設計過程中的模型優化階段包含了重復的模型構建、網格劃分及數據計算等工作，這些工作不僅重復度高，且相對耗時，但又為當前技術模式所需。

鑒此，本文將開發一種適用于風洞和循環水槽CFD設計的自動化程序。該程序包含完整的CFD流程，可以實現從初始參數錄入到優化目標參數輸出一鍵操作的設想。完成程序開發后，選取上海交通大學風洞循環水槽試驗數據對程序端輸出的結果進行校驗，以驗證程序的便捷性和可靠性。

1 風洞和循環水槽結構及參數化

程序的全局參數化[8]是實現對風洞和循環水槽結構細節及網格生成策略控制的基礎。本研究中，考慮采用設備類型參數和部段幾何參數控制三維建模過程，使用網格控制參數來控制網格的生成過程。風洞和循環水槽的結構簡圖[9]如圖1所示 ，其中，流動方向為順時針方向。

圖 1 風洞和循環水槽結構Fig. 1 Typical structure of wind tunnel and circulating water channel

1.1 設備類型參數

因使用需求不同，風洞與循環水槽在整體布置上有一定差異，這些差異需要在程序建模前設定，簡要歸納如下：

1） 模型選擇。即風洞與循環水槽的選擇，決定內部介質為空氣或水，同時參與多個模塊的條件判斷。

2） 總體布置。風洞和水槽均有垂直型和水平型2種布置方案，如圖1所示，重力作用方向豎直向下，即為垂直型布置，垂直向內為水平型布置。

3） 試驗段選項。要求有穩定且均勻的流場貫穿分段大部分區域，并需要設定流場最高流速。根據使用需要分為開口和閉口試驗段。

1.2 部段幾何參數

本系統設計的風洞和循環水槽均為回流管路，兩者在設計結構上基本相同，主要由形狀規則的圓形管或矩形管組成，模型光順性好。程序建模過程中需要記錄圖1中各分段對應的3組數據：

1） 分段長度。即各段入口截面中心點至出口截面中心點的距離，數值上等于圖1中虛線所示長度。

2） 分段入口截面形狀參數。各分段除動力段兩端為圓形截面外，其他分段截面均為矩形，對應參數分別為圓形截面的直徑、矩形截面的寬和高。

3） 分段出口截面形狀參數。即當前分段下游分段的入口截面形狀參數，獲取的方法同分段入口截面形狀參數。

1.3 網格控制參數

模型全局采用結構化網格對管路系統進行劃分，通過以下2類參數（共計4項參數）控制網格的疏密程度：

1） 單邊節點疏密程度以單邊節點數目控制總體模型的網格總數，包括模型長、寬、高3個方向的節點布置；

2） 第1層網格高度，通過y+值控制該值大小以保證基本的網格精度。

2 程序設計原理

針對指定目標的CFD分析包括實體三維建模、網格自動生成、黏性流場求解及計算后處理結果輸出等流程。通過自編程序實現對CFD軟件的控制和銜接[10]，使其自動完成完整的CFD分析流程，大幅提高CFD設計過程的整體效率。

本系統基于商用CFD軟件包ANSYS下的應用模塊GAMBIT及FLUENT進行二次開發，結合HTML5標準和Javascript語言，實現預計功能。其中，GAMBIT模塊用于幾何模型構建、網格劃分和邊界條件施加；FLUENT模塊用于黏性流場求解及后處理參數輸出。系統的中心設計思想是“一鍵操作”，如圖2所示，即自動化實現從輸入初始參數至輸出目標參數過程中的3個流程模塊：

圖 2 一鍵操作流程圖Fig. 2 The flow chart of one-click operation

1） 參數自適應。在程序實現全局參數化的基礎上，將輸入的參數導入后臺模塊進行判定和運算，并將自適應匹配的多個參數組合返回用戶界面，同時提供參數的待選擇區間。

2） CFD前處理。導入標準化的參數組合，通過GAMBIT模塊按照內置的建模順序和網格策略完成前處理過程，并導出.msh網格文件。

3） 求解及后處理。利用FLUENT模塊按照研究設定對流場求解，并對收斂后的結果進行可視化分析和計算，然后輸出相關結果。

參與自適應過程的用戶輸入參數經標準化后分為3組，即設備類型參數、試驗段幾何參數及網格控制參數。設備類型參數共計3個選項，經自由組合得到8組設計方案（例如，常見的開式垂直水槽、閉式水平風洞等），并由設計方綜合考慮選取；部段幾何參數由試驗段的設計要求決定，包括試驗段的長度、橫截面形狀及面積、最大流速，然后根據需求按傳統設計法[1-2]原則設置上、下游分段參數，并得到人工更改區間；網格控制參數用于控制網格疏密，是保證網格質量和CFD模擬精度的基礎。各分段基本參數與結構參數、網格參數共同組成的全局參數組合將返回至用戶界面（圖3（b）），然后按需要對部分參數進行調整，經確認后轉入下一個模塊。程序采取此設定使得三維建模和網格劃分過程有了很大的自由度。例如，在三維建模方面，全局參數組合的區間可調性使初始方案有了優選空間，而在網格劃分方面，對于同一個模型也能夠匹配疏密不同的網格策略，從而滿足網格數量的要求。

設備的三維建模和網格劃分通過對GAMBIT模塊進行二次開發來實現。通過開發相關模塊來控制GAMBIT模塊的批處理命令，從而實現了從既定參數組合到對應網格文件輸出的自動化過程。參數輸入的系統界面如圖3（a）所示，3個標注框中是3類模型參數的位置，對應有多項輸入參數的文本輸入框，部分含紅色滑槽的是對應參數的人工優選取值范圍。輸入參數運行返回的參數組合如圖3（b）所示。對于指定的輸入參數，程序返回的參數組合是唯一的，參數項下方的按鈕供自由設定取值。結構化網格劃分如圖4所示，其中圖4（a）是參數組合輸入前處理模塊生成的結構化網格模型示意圖，網格質量較高。除拐角和擴散段外，其他分段均可按六面體網格結構劃分，拐角按導流片布置分割成多個六面體區域，擴散段通過將管道劃分為6個六面體完成結構劃分。圖4（b）為擴散段網格。

圖 3 用戶界面Fig. 3 User interface

本程序利用FLUENT模塊的批處理機制自動完成對計算條件的設定。其中，計算統一采用有限體積法[11]離散求解RANS方程，用SST k-ω湍流模型封閉方程，用標準壁函數簡化處理近壁流動。SIMPLE算法[12]可用于速度和壓力間的耦合計算。在數值離散方面，對動量方程采用三階MUSCL格式，對k及ω方程采用二階上風格式。指定動力段入流面為速度入口（V為軸向均勻來流）；出流面為壓力出口（靜壓為0）；自由表面為滑移壁面；流場其他邊界為無滑移壁面。設置入流條件V控制流場流量，待計算收斂后，將流場數據進行可視化分析和計算，保存相關技術參數。

圖 4 結構化網格劃分Fig. 4 Structured mesh generation

本文用2個技術參數指標來評估設備試驗段流場的均勻性，包括如下：

3 程序驗證

在風洞或循環水槽的設計過程中，除考慮設備試驗段的要求和技術指標外，還需考察實際場地因素。風洞和循環水槽均為大型試驗裝置，其設計方案要求因地制宜，即在保證工程可行性的基礎上做細化結構的布局。本系統借鑒圖1布局結構，以該方案為默認設置，對實際設計參數進行匹配，自動輸出設計模型。除默認設定之外，系統還另外提供了方案調整的空間，通過更改自適應參數來匹配實際工程需求，如此便同時保證了設計方案的合理性和靈活性。

本文將上海交通大學風洞循環水槽實驗室的風洞與循環水槽的試驗段參數錄入程序中，分別得到了默認設定下程序輸出的風洞與循環水槽模型，整理輸出模型的主尺度與對應設備的尺度參數對照表如表1所示。由表1可見，在同樣的試驗段參數和結構參數限定下，程序自動生成的風洞、循環水槽模型與其對應的參考設備在尺度上十分接近，尺寸最大差異約10%，兩者在長寬比例上也保持相似。結果表明，程序按默認設定輸出的模型與目標設備在布局結構上有很強的一致性。

表 1 尺度參數對照Table 1 Comparison of dimension parameters

本文程序輸出的模型如圖5所示，其中圖5（a）與圖5（b）是按不同比例尺縮小的模型圖。參考圖1的分段結構，風洞與循環水槽在收縮段、擴壓段、各拐角、動力段等多處結構存在結構差異[1-2]，簡要歸納為：收縮段因收縮比的不同，分別采用了“3D”，“2D”的結構；擴壓段由于總體布置存在區別，采用了均勻擴壓、向下擴壓的方式；4個拐角的進流面與出流面之比根據流場特征分別設置；循環水槽的動力段因考慮了工程實際而將常規動力段一分為二。系統在風洞循環水槽統一設計框架方面可展現出兩者的特征差別， 并充分考慮設計方案的多樣化。

圖 5 程序輸出模型Fig. 5 Program output model

利用本文程序的求解及后處理功能，分別對前述模型進行了CFD模擬，并將結果與模型對應設備的實測數據進行比較，經整理后得到相關數據，如表2所示。表2中速度不均勻度（式（1））取截面寬、高均為80%的矩形區域，目的是扣除近壁面邊界層的影響；軸向靜壓梯度（式（4））取距試驗段0.25L～0.75L段的均值，其中，L為試驗段總長。由表2可知，除循環水槽無實測的靜壓梯度與輸出模型的數據比較外，其他3組數據均顯示出輸出模型對應的技術參數與設備實測值較為接近，之所以存在數值差異，部分原因是程序輸出模型未模擬穩定段的整流裝置。

表 2 技術參數對比Table 2 Comparison of technical parameters

本節所示設計結果均為默認的設定條件下自動輸出得到的，其中有一部分參數仍有優化的空間，這可以通過調整參數建立系列模型及采用基于仿真設計的方法[13]，來實現風洞或循環水槽的氣動/水動力最優化設計。本文程序在后處理階段通過直接計算評估試驗段流場的均勻性和軸向靜壓這2個技術參數，達到節省時間和人力成本的目的，并為后續開展深入的優化設計提供了支持與保障。

4 風洞設計方案對比

本節給出了風洞設計方案的CFD比較結果，如表3所示。表中，方案1為原設計方案，其他方案在原設計方案的基礎上改變了其中4個參數，而其他參數不變，以考察參數更改前、后設計方案得到的速度場變化情況。為獲得更可靠的流場信息，所有設計方案均設置有阻尼網來對試驗段的入流進行整流，其全局模型則取粗網格策略，總數約為270萬。

表 3 邊界條件及更改的模型參數Table 3 Boundary conditions and model's modified parameters

取距試驗段入口1，3，5，7，9，11 及13 m等位置處的截面作為考察對象，給出4種設計方案中的試驗段截面速度分布沿軸向變化的情況，如圖6所示。圖6中，坐標z軸垂直于風洞內、外兩側，x軸平行于試驗段流向。受壁面作用力的影響，4次計算中截面的邊界層厚度在流向上均呈現了由前至后逐漸增厚的趨勢。在截面速度均勻性方面，選取上述截面中1，5，7，9，13 m處的截面數據，截取中間64%面積區域，計算其速度不均勻度（式（1）），整理得到4次計算中對應的截面速度不均勻度沿軸向變化的曲線，如圖7所示。對比各曲線可知，4種設計方案中，方案 4中試驗段的流場均勻性最優，而原設計方案最差。可見，運用本文開發的程序可以很方便地比較不同設計方案下風洞試驗段的流場品質。

圖 6 截面速度沿軸線的變化云圖Fig. 6 Axial variation of the velocity contour on cross sections

圖 7 各截面速度不均勻度沿軸向的變化Fig. 7 Axial variation of the CV on cross section

5 結 語

本文針對風洞、循環水槽CFD設計過程中數值驗證及前期優化工作重復度高、耗時長的問題，開發了基于CFD的風洞循環水槽設計系統程序。該程序具有如下特點：

1） 程序按傳統設計法的設計原則完成各分段布局和自動建模過程，通過預留參數人工控制全局模型的結構調整和網格設置，以保證模型的光順性和網格質量。

2） 程序系統整合了三維建模、網格劃分、流場求解及后處理輸出等系列CFD流程，實現了模型參數組合輸入到技術參數輸出的功能。

3） 通過在程序端輸入上海交通大學風洞循環水槽的實際設備試驗段參數，經過對模擬結果與實測設備參數的對比，驗證了程序的可靠性。

4） 通過對風洞設計方案的性能評估和部分參數的改進，分析得到了更優的參數組合設計，也驗證了程序的功能性。