多学科飞行器设计中的FLUENT集成方法研究

多学科飞行器设计中的FLUENT集成方法研究

刘慧超聂冲赵雯王维平

（国防科技大学信息系统与管理学院系统工程系，湖南，长沙，410073）

摘要：分析了当前多学科飞行器设计中对于商业设计软件集成的需求，提出了基于文件包装器的组件化策略。针对FLUENT 的应用集成，分析了计算流体力学分析的一般步骤，详细论述了GAMBIT和FLUENT的自动化执行机制及进行包装集成的步骤。最后，通过一个实例，验证了方法的有效性。

关键词：飞行器设计；文件包装器；组件；FLUENT

Study on FLUENT Integration in Multidisciplinary Flight

Vehicle Design

Huichao Liu Chong Nie Wen Zhao Weiping Wang

（Department of System Engineering，School of Information System and Management，

National University of Defense Technology，Changsha，Hunan，410073）

Abstract：In this paper, we begin with an analysis of the demands of integrating heterogeneous commercial off-the-shelf products in multidisciplinary flight vehicle design, and the difficulties are proposed. A file wrapper based component strategy is developed, which is intended to provide a flexible and expandable mechanism to simplify the integration process of COTS. Aiming at the FLUENT integration, the process to solve a typical CFD problem is introduced and the automation mechanism of GAMBIT and FLUENT is described in detail. Finally, an example, implemented in a multidisciplinary integration optimization environment, is given to demonstrate the file wrapper process and the validity of the method.

Keywords：Flight Vehicle Design；File Wrapper；Component；FLUENT

1 多学科飞行器设计中的应用集成需求

航空航天领域的总体设计工程是一个包含多种学科的复杂设计系统，一个典型的飞行器设计过程一般包括气动、结构、推进、弹道、控制等多个学科的综合与迭代设计。由于各个学科由不同的专家进行设计，采用的设计方法、设计工具和设计重点都有所不同，而且由于设计问题本身的强耦合性，使飞行器总体设计的决策过程变得冗长而艰难，设计结果往往也不理想。因此需要一个多学科集成优化环境来协调、组织和集成设计过程中的模型、数据，自动完成一些繁琐的手工劳动和优化过程[1]。

随着计算机辅助设计技术的发展，通用的商业CAD、CFD、FEA工具越来越多地应用于飞行器设计中，如何有效地集成这些工具，正逐渐成为多学科飞行器设计中的一个重要课题。这种集成应该在确保各学科领域的专家自由地使用自己熟悉的工具基础上，使得用不同工具建立的模型能够进行互操作，实现设计信息共享和设计优化过程的自动化。

由于不同的商业设计软件的输入输出数据格式、执

行方式、提供的外部接口都不一样，要实现对不同商业设计软件的集成往往需要针对具体对象进行分析，并依赖于一个多学科集成优化环境来提供底层互操作的支持。

本文研究多学科飞行器设计中的FLUENT集成方法。研究了GAMBIT和FLUENT的自动化运行机制，提出了用文件包装器把FLUENT分析模型包装为可重用组件的方法，最后给出了一个实例，演示了在多学科集成优化环境中集成GAMBIT和FLUENT的过程，验证了所提出方法的有效性。

2 CFD分析的一般流程

伴随着计算机的飞速发展，计算流体力学近年来发展非常迅速，产生了大量通用的大型商业软件，比较著名的有FLUENT，CFX，STAR-CD等，其中FLUENT 的应用最为普遍。

2.1 GAMBIT和FLUENT

GAMBIT是专用的CFD前置处理器，FLUENT 系列产品皆采用FLUENT公司自行研发的GAMBIT前处理软件来建立几何形状及生成网格，是一具有超强组合建构模型能力之前处理器。用户既可以在GAMBIT 内直接建立几何模型, 也可以从PRO/E、UGII、IDEAS、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN 等软件导入几何模型和网络。

FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，举凡跟流体、热传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气等方面都有着广泛的应用。

2.2 基于FLUENT的CFD问题求解步骤

典型的应用Fluent求解CFD问题的流程如图1所示。

图1 用FLUENT求解CFD问题的基本步骤

首先要明确要研究的问题，如是否为可压缩流等；然后创建问题的几何模型并进行网格划分，这个过程可以用GAMBIT，也可以通过其它兼容的网格划分软件进行；接下来就要用FLUENT定义求解模型，包括解的格式、基本方程、材料性质、边界条件、控制参数、初始化等；这些工作都完成后，就可以求解计算。FLUENT 本身提供了比较丰富的后处理功能，也可以把保存的数据导入其它兼容软件进行后处理，如Tecplot等。

现在越来越多的CAD软件支持IGES和STEP标准，使得在不同的CAD系统间交换数据成为可能，如：可以用Pro/E进行实体建模，然后转化为IGES或STEP格式的文件，再导入GAMBIT进行网格划分，然后调用

FLUENT 进行CFD 分析。

3 基于组件的FLUENT 集成方法

3.1 文件包装器组件

组件技术兴起于90年代末，它具有比面向对象更高的抽象程度，一个组件可以看作是一个独立的，能够提供某些服务（通过接口定义）的、可执行的软件模块。通过组件技术有利于实现软件重用，缩短开发周期，降低开发风险。当前比较流行的组件设计规范有：EJB 、COM/DCOM 、CORBA 。由于商用软件基本上都是独立的应用系统，因此提供的可重用接口往往是有限的，而且也很难实现不同应用系统之间的互操作。因此直接应用组件技术对商用软件集成非常困难。

为了解决对商用软件的集成问题，我们提出了文件包装器组件的概念。文件包装器的基本思想是通过为每个要集成的应用建立一个包装器文件，描述如何解析应用的输入输出，以及应用如何运行。这些信息的表示遵循一定的结构规范和语言规范。所谓结构规范是应用的输入文件、执行、输出文件信息必须按照一定的格式规范给出，而语言规范则是指包装器文件所支持的一个指令集，包装器文件必须而且只能使用指令集中的指令描述。基本的指令包括：

● generate －生成输入文件； ● run －执行被包装的应用程序； ● parse －解析输出文件；

● templateFile －指定输入模板文件； ● fileToGenerate －指定产生的输入文件；

● fileToParse －指定要分析的输出文件；

文件包装器技术把要集成的应用看作“黑箱”或“灰箱”，只考虑应用的执行和输入输出。通过为应用定义包装器（不同类型应用的定义方式可能不同），将应用包装为组件，从而实现应用之间的集成。

图2 基于文件包装器的FLUENT 集成

由于FLUENT 支持控制台的执行方式和用户定义参数，并提供了日志功能，因此从应用的角度考虑，我们可以把FLUENT 看作是基于I/O 的应用。通过文件包装器的形式把FLUENT 的分析模型包装为一个可重用的组件，见图2。

3.2 GAMBIT 和FLUENT 的自动化执行[4]

GAMBIT 正确启动后，将创建一个会话（session ），GAMBIT 通过三个数据文件保持跟踪模型建立的所有会话操作，这三个会话数据文件的具体内容如表1所示。

表1 GAMBIT 会话数据文件

文件名称

后缀 文件格式 描 述

日志 文件 .jou 文本 GAMBIT 会话中几何、网格、区域和工具命令顺序执行过程。 副本 文件 .trn 文本 GAMBIT 会话中GAMBIT 副本窗口中显示的信息日志。

数据库 文 件

.dbs

二进制

与GAMBIT 建模相关的几何、网格、显示、缺省值和日志信息的二进制数据库

除了上述列出的三类数据文件，GAMBIT 还建立一个lock 文件id.lok ，id 为GAMBIT 会话标识符。lock 文件的作用是对当前的GAMBIT 会话加锁，以防止数据文件被其它任何GAMBIT 会话访问或修改。在这里,我们用到的主要是日志文件，它是文本文件，可以用任何文本编辑器编辑，它的命令和英语非常近似，易于理解。通过日志文件，不仅有助于回溯会话，发现错误，而且可

以通过用户定义参数，使用循环和控制使得建模具有通用型。下面是一个日志命令的例子，它产生一个体积为1，中心坐标为（0，0，0）正方体。

Volume create width 1 depth 1 height 1 offset 0 0 0 brick

FLUENT 的日志文件也是可编辑的文本文件，也支持用户定义参数，但是它的命令比较晦涩难懂，因为它

使用的是一种称为Scheme 的LISP 语言。由于FLUENT 会自动在日志文件中记下和图形界面的交互，如：

（

cx-do-gui

cx-activate-item “MenuBar*

WriteSubMenu*Stop Journal”）

因此即使是以批处理的方式运行，也需要启动图形界面。一个解决的办法是通过命令的方式保存日志文件，而不用菜单的方式。

FLUENT 将所有的键盘输入、图形用户界面的输入和文本窗口的输出记录下来作为Transcript 文件。Transcript 文件对程序的进程做了记录，以便于将来的参考。在Transcript 文件中，GUI 命令是作为Scheme 代码行来记录的。

3.3 基于组件的FLUENT 自动化集成

通过文件包装器对GAMBIT 和FLUENT 进行捆绑式包装和集成，其基本过程如0所示。

从图中可以看出，经过包装后的GAMBIT&FLUENT 组件可以在多学科集成优化环境中自动运行。其具体过程为：

（1）根据要研究的问题，在多学科集成优化环境中定义问题。包括确定输入变量、定义目标函数、选择优化策略等。

（2）运行GAMBIT&FLUENT 组件。运行过程为：包装器首先启动GAMBIT ，以批处理模式运行GAMBIT 日志文件，产生一个FLUENT 使用的输入文件（*.msh ）；然后调度FLUENT ，同样以批处理模式运行；FLUENT 运行结束后将产生一个Transcript 文件（*.trn ）；最后包

装器将Transcript 文件解析，反馈给集成优化环境。

（3）多学科集成优化环境根据包装器提供的输出，判断是否满足终止条件。若不满足，则调整输入，继续运行，直到满足终止条件为止。

图3 FLUENT 自动化集成示意图

4 应用实例

4.1 问题描述

这里采用了[6]中的三角翼的可压缩外部绕流作为示例（图4）。三角翼的形状尺寸如下图所示。空气自无穷远以马赫数0.9和攻角5o 绕流此三角翼。这是一个跨音速问题，使用Spalart-Allmaras 湍流模型，使用耦合隐式求解器求解。

13cm

图4 三角翼绕流示意图

4.2 问题分析过程

对这个问题的分析过程如下。首先采用GAMBIT 建模，其操作过程如下：启动GAMBIT →选择解算器→建立模型→进行网格划分→定义输入、输出→导出msh 文件→退出。

在FLUENT 中进行分析的过程为：启动保存

Transcript 文件→检查网格并定义长度单位→创建计算模型→设置流体的材料属性→设置边界条件→求解初始化→设置监视器→求解计算→保存结果。

所得到GAMBIT 和FLUENT 的日志文件如下所示（部分内容）：

solver select "FLUENT 5/6"

…

vertex create coordinates -10 -5 0

…

edge create straight "vertex.7" "vertex.1"

….

physics create "Inlet-1" btype "VELOCITY_INLET" edge "edge.1" "edge.2" …

export fluent5 "TriWing.msh" nozval

（cx-gui-do cx-activate-item "MenuBar*WriteSubMenu*Stop Transcript"）（cx-gui-do cx-set-text-entry "Select File*Text" "TriWing_Fluent.trn"）

（cx-gui-do cx-activate-item "Select File*OK"）

（cx-gui-do cx-activate-item "MenuBar*ReadSubMenu*Case..."）

（cx-gui-do cx-set-text-entry "Select File*Text" " TriWing.msh "）

（cx-gui-do cx-activate-item "Select File*OK"）

…

（cx-gui-do cx-activate-item "MenuBar*WriteSubMenu*Case..."）

（cx-gui-do cx-set-text-entry "Select File*Text" " TriWing.cas"）

（cx-gui-do cx-activate-item "Select File*OK"）

（cx-gui-do cx-activate-item "MenuBar*FileMenu*Exit"）

4.3 创建文件包装器组件

创建一个文件包装器组件可以分为四步：

（1）了解应用程序及其输入、输出文件；

（2）了解如何修改输入文件、运行应用程序以及解析输出文件。特别的，对于输入文件的改变会引起的输出文件如何变化要熟悉；

（3）创建包装器文件；

（4）测试文件包装器组件；

针对FLUENT的包装集成，首先创建一个TriWing_Gambit_Fluent.input.template作为GAMBIT&FLUENT组件的输入文件模板，如果需要导入其它CAD软件的模型，可以创建一个字符串变量，变量的内容为要导入的文件名，以便在多学科集成优化环境中能够将相关组件关联在一起。虽然本例不需要导入其它CAD文件，但为了演示功能，我们依然创建了一个“哑”输入变量Step_File_Name，它的值是文件名filename.stp（以”#”开头的行代表注释行）。模本文件的内容如下所示：

#step file path

Step_File_Name filename.stp

创建组件的文件包装器文件TriWing_Gambit_Fluent. fileWrapper，文件内容如下：

# An example of GAMBIT&FLUENT FileWrapper. # @author EsimSoft &LIU Huichao

# @version Demo

RunCommands

{

generate InputFile

run "Gambit –inp TriWing_Gambit.jou"

run "fluent 3d -i TriWing_Fluent.jou"

parse OutFile

}

RowFieldInputFile InputFile

{

templateFile:TriWing_Gambit_Fluent.input.template fileToGenerate: TriWing_Gambit_Fluent.input DEFINE_INPUT_VARIABLES

…

}

RowFieldOutputFile OutFile

{

file ToParse: TriWing_Fluent.trn

DEFINE_OUTPUT_VARIABLES

…

}

下面简单说明每组命令的具体作用。

●注释部分：包含了一些注释信息和组件的描述信

息

●运行命令部分：生成输入文件、调用GAMBIT

软件运行TriWing_Gambit.jou文件（生成TriWing.msh

文件）、调用FLUENT软件求解、解析输出文件。

●输入文件部分：读取模板文件

TriWing_Gambit_Fluent.input.template、生成输入文件

TriWing_Gambit_Fluent.input.input，生成组件的输入变

量。

●输出文件部分：解析最终的Fluent输出文件

TriWing_Fluent.trn，提取其中的若干数值作为组件的一组

输出变量。

通过前面的若干步骤，就包装好一个

GAMBIT&FLUENT的文件包装器组件了。

包装后的组件可以在多学科集成优化环境中与其它

组件相连，实现多学科飞行器设计过程中的应用集成。

图5是多学科集成优化环境中的FLUENT组件，图

6是运行组件后所得到的结果。

图5 实例化模型后客户端界面图6 迭代800次后的残差曲线图

5 结束语

本文主要讨论了多学科飞行器设计中的FLUENT集

成问题，研究了GAMBIT和FLUENT的自动化运行机制，

提出了基于组件的自动化集成方法以及相应的文件包装

器实现技术，并通过实例验证了集成的正确性和可行性。

需要指出的是，本文提出的集成方法及其实现技术

具有较好的通用性。在我们开发的多学科集成优化环境

中已经通过这种方式，实现了对Pro/E、

PATRAN/NASTRAN、FLUENT等商业软件的集成，并

取得了较好的运行效果。

参考文献

[1] 谷良贤，龚春林，多学科设计集成环境的模式和应用[J]，

宇航学报，2004，25（4）7：459-461

[2] 聂冲，赵雯等，战略导弹系统总体设计过程集成支撑环

境研究[J]，计算机集成制造系统-CIMS，2003，9（7）：505-510

[3] Acton D E，Olds J R.，Computational Frameworks for

Collaborative Multidisciplinary Design of Complex Systems，

AIAA-98-4942，1998

[4] Gambit 2.0 User’s Guide，Fluent Inc.

[5] Fluent 6.0 User’s Guide，Fluent Inc.

[6] 韩占忠，王敬，兰小平，FLUENT—流体工程仿真计算

实例与应用[M]，北京：北京理工大学出版社，98-122，2004