【技術貼】基於 Flowmaster的飛機燃油系統流體模擬平臺構建研究
轉載自：海基科技公眾號
引言：燃油系統對飛機的使用性能和安全有著直接的影響。燃油 系統主要包括存儲系統 、 分配系統 、 測量系統 、 惰化系統等很多複雜的子系統。在飛機燃油系統研發過程中， 總體設計的工作量巨大、 工作任務繁雜， 產生大量的設計信息和數據。在傳統的產品研發設計數據組織形式以及數據管理方式下，存在數據使用不便、效率低下、 容錯性差、 檢索困難等等問題。同時， 由於額外的無效工作時間和工作的複雜程度加大有可能最終嚴重影響到產品研發設計的率和質量 。因此， 如何構建一個行之有效的平臺以解決在飛機燃油系統模擬工作中出現的上述的問題就顯得十分必要 。
Flowmaster 作為成熟的流體系統模擬軟體同時具有與Matlab、Huent和CAD領域等軟體的介面， 通過這些介面可以將 Flowmaster模擬結果傳遞給其他領域的模擬工具，也可以從其他領域的模擬工具得到 Flowmaster需要的數據 。本文主要基於流體計算軟體 Flowmaster，研究了關於燃油系統流體模擬計算平臺構建方法。
一、構建模擬平臺考慮因素
要快速高效的完成複雜的系統模擬 ，必須有數據的共享以及數據傳遞支持。燃油系統流體模擬平臺的構建考慮了以下幾個方面 ：
1、資料庫管理
集成一個模擬數據管理工具，實時記錄計算模型的輸人蔘數與計算結果。以此為基礎， 團隊的任何成員在任何時候都可以獲知並理解模型設計以及發生改變 的歷程 ，對設計變化歷程 的追蹤能力將大為增強對項目全生命週期的質量管理。
2、多用戶環境與有效的團隊協同工作
以數據管理工具為基礎 ，根據項目成員的任務類型定義不同許可權的用戶，並藉助安全可控的數據共享與管理， 最終實現團隊的高效協同工作， 共同開展一項複雜的系統模擬工作， 從而提高工作效率 。3、提高代碼重複利用率為已有程序代碼定製適用於 Flowmaster的通用分析模型與用戶操作界面， 可避免重複工作。4、簡化設計過程分析人員可定製專用元件和模型 、封裝典型子系統 ， 進而簡化設計人員的分析工作， 方便其捕捉設計思想和系統層面的運行規律。5、參數化分析在概念設計 階段開展參數化分析 ，便於優選合理的設計方案 ，從而顯著減少後期設計成本並縮短研發週期。 二、燃油系統流體模擬平臺構建方法與功能1、模擬平臺實現的功能 燃油系統流體模擬平臺易於擴展 ，能夠非常方便地引入客戶的現存知識經驗與設計規範等相關信息， 進而豐富專家系統的知識儲備。 具備與三維 CFD等軟體的介面，並且具備開放而多樣 的聯合模擬介面開發能力 ， 易於實現軟體集成與半實物模擬。強大的介面能力使得模擬平臺在模擬燃油系統時，可以通過 CFD 計算軟體對某個關鍵部件或者用戶比較關心的部件內部的三維流場及換熱情況進行分析 ， 並且將二者 的結果進行實時交互 ，這樣在分析元件內部流場的同時，也能夠考慮到元件對整個系統的影響。同時，平臺以專家系統的知識經驗、設計規範以及項目成員的角色分工為驅動，可以實現模擬流程的半自動化或全自動化。根據飛機燃油系統設計自身的特徵開發了以下功能模塊，主要包括：（1）Flowmaster燃油系統模擬計算集成。將飛機燃油系列中各子系統如燃油存儲系統、分配系統、測量系統和惰化系統對應的Flowmaster模型和操作通過模塊化封裝，允許用戶自由調用和擴展子系統；（2）圖形化人機界面；（3）資料庫表單、存儲過程；（4）用戶許可權管理、管理員後臺；（5）平臺運行日誌功能； （6）數據介面：如CFD介面、後處理介面，同時預留半實物模擬介面，TDM介面；（7）EXCEL輸入輸出、WORD報告生成。2、模擬平臺構建方法 基於上述因素，基於Flowmaster軟體開發的燃油系統流體模擬平臺在滿足計算分析、動態模擬、優化設計、系統耦合和系統優化的基礎上，可以實現多用戶、協同環境、數據集成的飛機燃油系統模擬計算環境。 燃油系統流體模擬計算平臺基於NET開發，構建在SQLServer中心資料庫上，支持分散式安裝。開發語言：C#3.5。NET可以與Flowmaster無縫集成，可以實現無障礙交互數據、支持傳統後處理軟體如Tecplot等。SQLServer資料庫具有易管理、可用性高、可伸縮性強、安全性高等特點。以此為基礎，所有相關的數據均存儲在中心伺服器的SQLServer資料庫之中，如圖1所示。根據項目需求，定製不同許可權的用戶，比如項目管理人員、研發人員、分析人員、試驗人員等，不同許可權的客戶端可以通過網路在受控的情況下訪問同一個中心資料庫，實現了數據交互與信息共享，從而避免出現獨立、分離的數據帶來的各類問題，並且保證了數據管理的安全性。
3、模擬平臺界面開發 為了便於使用，把複雜的CAE軟體界面隱藏起來，將用戶界面設計成更加符合用戶習慣的界面GUI，由系統自動向底層Flowmaster模塊提出數據和任務請求，並對底層所提供的數據進行分析處理。各個關鍵參數由前臺界面輸入，而Flowmaster模塊嵌入到後臺做計算的支撐。如圖4-6所示，根據前述理論平臺構建方法開發的燃油系統流體模擬平臺操作界面，在此操作界面下工程師可以選擇執行操作的計算網路，在工程師操作界面上還包括數據輸入對話框、數據輸出圖形界面、運行、暫停按鈕、耦合介面按鈕（下拉菜單中包括半實物模擬、優化軟體、Tecplot、Origin數據介面）。選擇模型與數據後點擊按鈕，自動啟動相應的軟體進行數據分析。
三、結束語 國內目前針對燃油系統的模擬多為單一的數值模擬，並沒有形成模擬平臺的概念。本文基於流體計算軟體Flowmaster構建了燃油系統流體模擬計算平臺。構建的燃油系統流體模擬計算平臺可實現對系統流體工質在各種工況及環境條件下進行動態數值模擬計算，並可通過數據、圖像的形式對計算結果和物理現象等進行綜合分析與體現，實現了數據的集成與知識的管理，並且通過在實際工程上的應用，也驗證了這種平臺構建方法的正確性。 燃油系統模擬計算平臺的搭建可以為系統設計提供有效的數據管理平臺，構建多用戶協同工作的燃油系統模擬環境，提高了數據的利用率、簡化了設計研發過程，大大簡化了建模、調試、優化的時間。
推薦閱讀：
