关于CFD流场后处理软件的开发及应用
庞润芳 郑坤灿 任雁秋 潘刚 龚志军 武文斐
摘 要： 计算流体动力学（CFD）越来越多地应用在许多学科领域，CFD后处理一直是该领域的热点和难点之一。应用VB 6.0可视化语言开发具有自主知识产权的流场后处理軟件，针对特殊应用定制了文件数据格式、稳态和非稳态三维流场显示、图形缩放、箭头美化和容器轮廓显示等功能，同时也可以进行图形区域选择、拷贝、清除、橡皮擦、手工画笔等操作。最后软件应用于三维中间包钢水非稳态流动的数值模拟，较好地实现了软件的各种功能，为CFD流动的计算结果分析和处理提供方便。
关键词： CFD； 三维流场； 后处理软件； VB； 中间包
中图分类号： TN722.5+3?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）20?0061?03
Abstract： Computational fluid dynamics （CFD） are used in many disciplines increasingly， but CFD post?processing has been one of the research hotspots and difficulties in the field. The flow field post?processing software with proprietary intellectual property right is developed with VB6.0 visualization language. Many functions for special application are custom?made， such as file data format， 3D flow field display， graph zooming， arrow prettifying and profile display of container. The software can also fulfill selection of graphic region， and operation of copying， clearing， clear and manual painting brush. It was applied to numerical simulation of 3D unsteady molten steel flow in the tundish， and realized various functions. The convenience was provided for analysis and processing of the calculated results of CFD flow.
Keywords： CFD； 3D flow field； post?processing software； VB； tundish
0 引 言
计算流体动力学应用日益广泛，波及到生活和工业的许多领域。传统的如环境、化工、气象、航海、建筑、机械和航空航天等，新兴的包括生命现象、微纳流动以及恒星宇宙的演化等。其中，如何对CFD的计算结果进行更为直观、准确和真实的表达一直是业间的难题之一。CFD后处理国外研究代表性的有：美国国家宇航局Ames研究中心的分布式虚拟风洞；美国国家超级计算机应用中心的大气及流体可视化软件（Pathfinder）；还有Ames早期推出的CFD可视化应用软件包PLOT3D及其后的流体分析软件工具FAST等[1?3]。国内的可视化研究始于20世纪90年代初，主要从事这方面研究的单位有清华大学、浙江大学、中科院、中国工程物理研究所、中国空气动力研究所与发展中心、国防科技大学等[4?5]。另外，常明君等基于VTK进行了CFD可视化系统的开发[6]，华中科技大学罗畅在Fluent的基础上进行了后处理的二次开发[7]，惠伟等对高压断路器灭弧室动态流场计算结果后处理进行二次开发[8]。可以看出，目前CFD及后处理在国外已经成熟并商业化，且非常重视相关研究以保持其一直以来的垄断地位，国内在这方面还是零星的和针对性的应用。
因此，本文针对CFD三维非稳态流场计算，应用VB 6.0开发了自主知识产权的流场后处理软件，并将它应用于冶金中间包的三维非定常流动可视化。当然它同样可以应用于其他流场的处理，包括三维、二维、稳态和非稳态情况。
1 界面设计及功能实现
如图1所示，程序主要功能需要实现数据读取、三维截面定位、画图、图形缩放、箭头美化、图像的拷贝清除及帮助等。这些功能可以通过菜单和工具栏实现。
1.1 数据读取
数据文件为文本格式，如txt，dat等，数据文件格式分二维、三维、稳态和非稳态几种情况，格式如图2所示，各种格式通过弹出菜单键盘输入数字选择。
1.2 三维截面定位
通过图3所示的复选框数字可以选取三个方向不同位置处的截面流场，同时可以显示所化流场的位置。
1.3 画 图
矢量图画法：CFD计算方法包括有限差分，有限元和有限容积等方法，其思路一般为，首先是研究对象的空间离散，然后是方程离散，最后解代数方程组获得研究对象空间各个离散点的速度、压力等参数的值。获得的速度一般是x，y，z三个方向的速度分量。速度矢量图的基本画法如下：
（1） 确定空间某离散点A的位置坐标（xi，yi，zi）。该处在二维平面内即为代码中的（XBEGIN，YBEGIN）坐标，其对应节点间距（Δxi，Δyi，Δzi），Δxi=xi+1-xi，Δyi=yi+1-yi，Δzi=zi+1-zi。
（2） 提取最大间距Δd，Δd=max（Δxi，Δyi），同时提取最大速度分量vm，把所有速度分量转换为对应长度vl=Δd·[vvm。]照此方法将点A的速度分量转化为长度值（uli，vli，wli），该处为下面代码中的（XEND， YEND）。
（3） 连接（xi，yi，zi）和（xi+uli，yi+vli，zi+wli）两点即为该点的速度矢量，大小和方向均表示出來了，两点之间距离为箭杆的长度al。
（4） 画矢量箭头，即箭头尖端的箭须，箭须位置点（XLEVEL，YLEVEL）和点（XLEVEL1，YLEVEL1）是根据箭杆长度和箭须和箭杆夹确定。其中第（2）步的目的是使各点速度长度化，而且要求各点速度长度与节点间距相当，以便能够进行合理的速度矢量显示。
核心代码实现如下：
1.4 图形缩放
为了更方便地进行流场观察与分析，可以对显示流场进行整体、竖直、水平和局部缩放。这是通过界面上的放大缩小按钮来实现。整体放大代码如下：
1.5 箭头美化
为了使矢量图更为美观，可以对箭头和箭杆的大小与粗细进行调整，使之达到最好的显示效果，这在界面上可以通过箭头和箭杆按钮来实现。
2 三维中间包CFD流场处理应用
案例应用Fortran科学计算语言对中间包钢水流动进行模拟，湍流模型采用标准κ?ε模型，计算结果处理如图4所示，图4为中间包第50个时间节点的流场图。
图4（a）为中间包钢液从最左侧入口进入，从左向右绕过上挡墙、下挡墙至右侧下部出口流出的整个流动过程。图4（b）为中间包水平截面的钢液流动情况。图4（c）为下挡板竖直截面的钢液流动显示，图4（b）为钢水出口处竖直截面的流场。
3 结 论
利用Visual Basic可视化语言开发了CFD后处理软件，实现了二维、三维、稳态和非稳态不同数据格式文件读取及其流场显示，除了基本的缩放、选取、擦除、复制等功能外，并能根据应用所需对流场进行必要的功能定制，例如三维截面精准定位、箭头美化和对象轮廓显示等。程序通过对中间包钢水流动流场处理实现了软件的目标和要求的各种功能。
注：本文通讯作者为郑坤灿。
参考文献
[1] 邱磊.船舶操纵相关粘性流及水动力计算[D].武汉：武汉理工大学，2004.
[2] 邱磊，邹早建，张谢东.船舶计算流体动力学可视化系统的ScFDvS开发[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2002，26（5）：563?566.
[3] HELMAN J L， HESSELINK L. Representation and display of vector field to topology in fluid flow datasets， visualizationin scientific computing [J]. IEEE Computer Society press， 1989， 22（8）： 27?36.
[4] 张文.矢量场可视化算法研究与系统设计[D].长沙：国防科技大学，2001.
[5] 郑淑娟.插装型锥阀配合副流固热耦合分析及流场可视化[D].太原：太原理工大学，2015.
[6] 常君明.基于VTK的CFD可视化系统开发[D].武汉：武汉理工大学，2004.
[7] 罗畅.基于FLUENT的灶具流动及燃烧数值模拟软件的二次开发[D].武汉：华中科技大学，2013.
[8] 惠伟，张建，张猛.高压断路器灭弧室动态流场计算结果后处理二次开发的研究[J].高压电器，2014，52（6）：98?102.
摘 要： 计算流体动力学（CFD）越来越多地应用在许多学科领域，CFD后处理一直是该领域的热点和难点之一。应用VB 6.0可视化语言开发具有自主知识产权的流场后处理軟件，针对特殊应用定制了文件数据格式、稳态和非稳态三维流场显示、图形缩放、箭头美化和容器轮廓显示等功能，同时也可以进行图形区域选择、拷贝、清除、橡皮擦、手工画笔等操作。最后软件应用于三维中间包钢水非稳态流动的数值模拟，较好地实现了软件的各种功能，为CFD流动的计算结果分析和处理提供方便。
关键词： CFD； 三维流场； 后处理软件； VB； 中间包
中图分类号： TN722.5+3?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）20?0061?03
Abstract： Computational fluid dynamics （CFD） are used in many disciplines increasingly， but CFD post?processing has been one of the research hotspots and difficulties in the field. The flow field post?processing software with proprietary intellectual property right is developed with VB6.0 visualization language. Many functions for special application are custom?made， such as file data format， 3D flow field display， graph zooming， arrow prettifying and profile display of container. The software can also fulfill selection of graphic region， and operation of copying， clearing， clear and manual painting brush. It was applied to numerical simulation of 3D unsteady molten steel flow in the tundish， and realized various functions. The convenience was provided for analysis and processing of the calculated results of CFD flow.
Keywords： CFD； 3D flow field； post?processing software； VB； tundish
0 引 言
计算流体动力学应用日益广泛，波及到生活和工业的许多领域。传统的如环境、化工、气象、航海、建筑、机械和航空航天等，新兴的包括生命现象、微纳流动以及恒星宇宙的演化等。其中，如何对CFD的计算结果进行更为直观、准确和真实的表达一直是业间的难题之一。CFD后处理国外研究代表性的有：美国国家宇航局Ames研究中心的分布式虚拟风洞；美国国家超级计算机应用中心的大气及流体可视化软件（Pathfinder）；还有Ames早期推出的CFD可视化应用软件包PLOT3D及其后的流体分析软件工具FAST等[1?3]。国内的可视化研究始于20世纪90年代初，主要从事这方面研究的单位有清华大学、浙江大学、中科院、中国工程物理研究所、中国空气动力研究所与发展中心、国防科技大学等[4?5]。另外，常明君等基于VTK进行了CFD可视化系统的开发[6]，华中科技大学罗畅在Fluent的基础上进行了后处理的二次开发[7]，惠伟等对高压断路器灭弧室动态流场计算结果后处理进行二次开发[8]。可以看出，目前CFD及后处理在国外已经成熟并商业化，且非常重视相关研究以保持其一直以来的垄断地位，国内在这方面还是零星的和针对性的应用。
因此，本文针对CFD三维非稳态流场计算，应用VB 6.0开发了自主知识产权的流场后处理软件，并将它应用于冶金中间包的三维非定常流动可视化。当然它同样可以应用于其他流场的处理，包括三维、二维、稳态和非稳态情况。
1 界面设计及功能实现
如图1所示，程序主要功能需要实现数据读取、三维截面定位、画图、图形缩放、箭头美化、图像的拷贝清除及帮助等。这些功能可以通过菜单和工具栏实现。
1.1 数据读取
数据文件为文本格式，如txt，dat等，数据文件格式分二维、三维、稳态和非稳态几种情况，格式如图2所示，各种格式通过弹出菜单键盘输入数字选择。
1.2 三维截面定位
通过图3所示的复选框数字可以选取三个方向不同位置处的截面流场，同时可以显示所化流场的位置。
1.3 画 图
矢量图画法：CFD计算方法包括有限差分，有限元和有限容积等方法，其思路一般为，首先是研究对象的空间离散，然后是方程离散，最后解代数方程组获得研究对象空间各个离散点的速度、压力等参数的值。获得的速度一般是x，y，z三个方向的速度分量。速度矢量图的基本画法如下：
（1） 确定空间某离散点A的位置坐标（xi，yi，zi）。该处在二维平面内即为代码中的（XBEGIN，YBEGIN）坐标，其对应节点间距（Δxi，Δyi，Δzi），Δxi=xi+1-xi，Δyi=yi+1-yi，Δzi=zi+1-zi。
（2） 提取最大间距Δd，Δd=max（Δxi，Δyi），同时提取最大速度分量vm，把所有速度分量转换为对应长度vl=Δd·[vvm。]照此方法将点A的速度分量转化为长度值（uli，vli，wli），该处为下面代码中的（XEND， YEND）。
（3） 连接（xi，yi，zi）和（xi+uli，yi+vli，zi+wli）两点即为该点的速度矢量，大小和方向均表示出來了，两点之间距离为箭杆的长度al。
（4） 画矢量箭头，即箭头尖端的箭须，箭须位置点（XLEVEL，YLEVEL）和点（XLEVEL1，YLEVEL1）是根据箭杆长度和箭须和箭杆夹确定。其中第（2）步的目的是使各点速度长度化，而且要求各点速度长度与节点间距相当，以便能够进行合理的速度矢量显示。
核心代码实现如下：
1.4 图形缩放
为了更方便地进行流场观察与分析，可以对显示流场进行整体、竖直、水平和局部缩放。这是通过界面上的放大缩小按钮来实现。整体放大代码如下：
1.5 箭头美化
为了使矢量图更为美观，可以对箭头和箭杆的大小与粗细进行调整，使之达到最好的显示效果，这在界面上可以通过箭头和箭杆按钮来实现。
2 三维中间包CFD流场处理应用
案例应用Fortran科学计算语言对中间包钢水流动进行模拟，湍流模型采用标准κ?ε模型，计算结果处理如图4所示，图4为中间包第50个时间节点的流场图。
图4（a）为中间包钢液从最左侧入口进入，从左向右绕过上挡墙、下挡墙至右侧下部出口流出的整个流动过程。图4（b）为中间包水平截面的钢液流动情况。图4（c）为下挡板竖直截面的钢液流动显示，图4（b）为钢水出口处竖直截面的流场。
3 结 论
利用Visual Basic可视化语言开发了CFD后处理软件，实现了二维、三维、稳态和非稳态不同数据格式文件读取及其流场显示，除了基本的缩放、选取、擦除、复制等功能外，并能根据应用所需对流场进行必要的功能定制，例如三维截面精准定位、箭头美化和对象轮廓显示等。程序通过对中间包钢水流动流场处理实现了软件的目标和要求的各种功能。
注：本文通讯作者为郑坤灿。
参考文献
[1] 邱磊.船舶操纵相关粘性流及水动力计算[D].武汉：武汉理工大学，2004.
[2] 邱磊，邹早建，张谢东.船舶计算流体动力学可视化系统的ScFDvS开发[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2002，26（5）：563?566.
[3] HELMAN J L， HESSELINK L. Representation and display of vector field to topology in fluid flow datasets， visualizationin scientific computing [J]. IEEE Computer Society press， 1989， 22（8）： 27?36.
[4] 张文.矢量场可视化算法研究与系统设计[D].长沙：国防科技大学，2001.
[5] 郑淑娟.插装型锥阀配合副流固热耦合分析及流场可视化[D].太原：太原理工大学，2015.
[6] 常君明.基于VTK的CFD可视化系统开发[D].武汉：武汉理工大学，2004.
[7] 罗畅.基于FLUENT的灶具流动及燃烧数值模拟软件的二次开发[D].武汉：华中科技大学，2013.
[8] 惠伟，张建，张猛.高压断路器灭弧室动态流场计算结果后处理二次开发的研究[J].高压电器，2014，52（6）：98?102.
