赛题

1 赛题简介

    参赛队伍需要基于FastCAE开源平台进行开发，项目包含各领域开源求解计算程序开发与集成，几何建模引擎的开发与集成，网格生成程序的开发与集成，可视化程序的开发与集成等工业软件核心技术。FastCAE团队将安排培训导师提供辅导、授课培训。

2 比赛目标
    本届开源工业软件产品化集成大赛的举办旨在达成以下目的：通过竞赛，使CAE开发者了解国内外开源CAE的技术现状以及应用情况，激励开发者基于开源模式探索CAE软件创新发展之路；为工业软件人才培养提供实践平台和丰富的开源资源，打造CAE领域产学研用优质转化平台；提升关键核心技术在开源CAE软件的工程转化能力，加速多学科协同研发合作生态的发展。
    本届大赛指定采用FastCAE开源国产CAE软件集成开发平台。FastCAE平台在Salome开源平台基础上采用BSD3开源协议，面向求解器开发者提供CAE软件界面与通用功能模块快速研发集成框架，支持API级二次开发、跨平台运行和插件模式功能扩展，覆盖结构、流体、热能等多领域。

参赛项目介绍

1 项目背景

    随着科技的不断进步，流体力学在各个领域的应用越来越广泛，从航空航天、汽车工程、能源工程、水利工程到环境工程等，都离不开流体力学的计算和分析。流体力学计算软件在解决这些问题中起到了关键作用，它可以快速、准确地计算出流体流动过程中的压力场和速度场，为相关行业提供高效、精准的流体力学计算服务。
    然而，现有的流体力学计算软件存在一些问题，如计算精度不高、计算效率低下、通用性不强、结果可视化效果差等。这些问题限制了流体力学计算软件在相关行业的应用和发展。因此，开发一款高效、精准、通用、可视化效果好的流体力学计算软件具有重要的必要性和迫切性。
该软件项目的背景主要包括以下几个方面：

1. 行业发展现状和机遇：随着科技的不断进步，流体力学在各个领域的应用越来越广泛，为相关行业提供了巨大的发展机遇。

2. 面临的问题和挑战：现有的流体力学计算软件存在计算精度不高、计算效率低下、通用性不强、结果可视化效果差等问题，限制了其在相关行业的应用和发展。

3. 项目建设的目的：开发一款高效、精准、通用、可视化效果好的流体力学计算软件，解决现有软件存在的问题，满足相关行业的需求。

2 解决的主要问题

1. 计算精度不高：流体流动问题涉及到复杂的物理现象，需要采用高精度的计算方法进行求解。

2. 计算效率低下：流体流动问题的计算量较大，需要采用高效的计算方法进行求解。

3. 通用性不强：现有的流体计算软件主要适用于特定的流体流动问题，通用性不强，难以满足不同行业的需求。

4. 流体流动问题的结果需要进行可视化展示，现有的可视化软件效果较差，难以满足实际需求。

3 作品优势与核心技术

    该软件采用了非结构化网格算法进行求解，相比传统的结构化网格求解方法，具有更高的精度和更快的计算速度，可以计算任意不可压缩单相流体流动问题，支持多种压力和速度边界条件，支持多种材料区域，具有很强的通用性。该软件采用了模块化的设计思想，各个功能模块在调用主程序时依次执行，保证了软件的高效性和稳定性。该软件采用了非结构有限体积法离散控制方程，支持瞬态求解和稳态求解，可以精细刻画流动过程中速度和压力随时间和空间的变化。

4 主要应用场景、行业

    通用流体力学计算软件适用于广泛的行业领域，包括航空航天、汽车工程、能源工程、水利工程、环境工程等。在这些行业中，流体流动问题是一个重要的研究课题，直接关系到产品的性能、效率和安全性。

    该软件主要适用于研发型企业和生产型企业。研发型企业需要进行新产品的设计和开发，需要使用流体力学计算软件进行仿真分析和优化设计。生产型企业则需要对现有产品进行改进和优化，以提高生产效率和产品质量，也需要使用流体力学计算软件进行分析和优化。

5 项目概要介绍

通用流体力学计算软件是采用Fortran语言编写的流体流动仿真求解器。该软件基于非结构化网格SIMPLE算法开发，控制方程采用非结构有限体积法离散，可以计算任意不可压缩单相流体流动问题速度场和压力场，支持瞬态求解和稳态求解，支持多种压力和速度边界条件，支持多种材料区域。

6 项目方案设计

    通用流体力学计算软件的设计思路，以实际功能和数据流向为划分原则，将其划分为不同的功能模块，并以此为依据将其实现为不同的功能函数。软件包括数据输入模块、主程序模块以及数据输出模块，其中主程序模块包括有：流场初始化模块、物性参数模块、边界条件模块、压力速度求解模块、矩阵求解模块、收敛准则模块。

下面针对各个模块的功能及相应计算方法进行说明。

（1）数据输入模块：读入非结构网格流体力学计算软件所需的数据输入。主要包括网格参数信息、边界参数信息、材质信息和求解设置信息。

    ①网格参数信息：包括计算域网格顶点数、计算区域个数、单元数、顶点坐标序列、单元坐标序列。

    ②边界参数信息：包括开环边界数、闭环边界数、几何边界物理边界共轭对集合和流动边界链表边界。

    ③材质信息：计算区域流体的材质属性，如密度、动力粘度、导热系数。

    ④求解设置信息：包括迭代次数、运动方程和压力修正方程松弛系数、压力速度残差收敛值。

    ⑤用户以dat文件的形式读入数据或在程序中直接定义参数值。

（2）主程序模块：采用经典的SIMPLE算法解耦迭代求解流体动量方程和压力修正方程，支持多种边界条件，包括速度边界、压力边界、壁面边界、对称边界和周期边界。在收敛的流场基础上，开发了温度等物理量对流扩散方程的求解。

（3）数据输出模块：以符合后处理可视化软件tecplot要求的格式输出计算收敛后最终的压力、速度和标量物理场结果。可视化显示dat文件主要包括节点的个数，单元的个数，单元的类型，节点的坐标，组成单元的节点编号，压力值、U和V方向速度分量值。

通用流体力学计算软件主要包括一个主函数以及8类功能子函数。主函数通过调用其它8类功能子函数完成不可压缩流动过程高精度仿真。各类函数名称及作用为：

（1）GRID_INPUT 子函数：读入网格数据，并对网格和边界数据进行处理，得到网格链表和边界链表，得到网格单元面积，网格中心点坐标，点到网格面距离矢量、各网格相邻单元信息。

（2）>START 子函数：此函数用于设置初始流场、初始压力值、密度值、导热系数、动力粘度、压力松弛系数、速度松弛系数。

（3）>DENSITY_MODULE 子函数：用于计算每个时刻网格中心密度值，其一般是与温度有关的变量。

（4）>GAMSOR 子函数：此函数用于计算每个时刻网格中心流体的粘度。

（5）>SIMPLE_ALGORITHM 子函数：此函数是软件的核心部分。主要是采用经典的SIMPLE算法求解流体力学NS控制方程，先求解动量方程，再求解压力修正方程，根据修正的压力更新速度，迭代直至残差满足收敛标准。

（6）>BOUND 子函数：此函数用于计算边界，将边界的影响引入到压力速度求解过程中，支持速度入口、总压入口边界、静压出口、动压出口、速度出口、自由出流、对称、壁面、周期性边界等多种边界条件。

（7）OUTPUT 子函数：此函数用于生成输出结果文件。输出所有网格中心点的速度矢量到UARROW.DAT文件中，输出所有网格中心点的压力值到P.DAT文件中，输出特定位置的速度到UU.DAT中，输出温度场结果到S.DAT文件中，输出压力速度场结果到UVP_TEC.DAT文件中，支持Tecplot可视化显示。

（8）SOLVE 子函数：此函数用于对SIMPLE算法生成的动量方程和压力修正离散方程进行迭代求解，包括高斯赛德尔迭代、共轭梯度CG方法等。

（9） main 主函数：调用上述模块及子函数，完成边界约束下的不可压缩流动过程压力场和速度场的数值求解。

7 应用前景

    该软件作为一款通用流体力学计算软件，具有较高的精度和较快的计算速度，可以计算任意不可压缩单相流体流动问题，支持多种压力和速度边界条件，支持多种材料区域，具有很强的通用性。此外，该软件采用了模块化的设计思想，各个功能模块在调用主程序时依次执行，保证了软件的高效性和稳定性；支持主流可视化软件格式导出，具有可读性强、扩展性高等优点。

市场需求分析：随着科技的不断进步，流体力学在各个领域的应用越来越广泛，从航空航天、汽车工程、能源工程、水利工程到环境工程等，都离不开流体力学的计算和分析。因此，高效、精准、通用、可视化效果好的流体力学计算软件具有广阔的市场需求。

• 应用价值：该软件可以快速、准确地计算出流体流动过程中的压力场和速度场，为相关行业提供高效、精准的流体力学计算服务，有助于提高相关行业的效率和质量。

• 已有的应用成效：该软件已经在航空航天、汽车工程、能源工程、水利工程、环境工程等领域得到了广泛应用，取得了显著的效果。

• 可推广性：该软件具有较强的通用性，可以应用于多个行业领域，具有较高的可推广性。

8 案例验证

    由下图可看出，本软件与Fluent软件在计算结果上的差距不大。

（a）本软件

（b）Fluent