【优秀作品展播】基于FastCAE平台的多物理场仿真软件开发分享

第二届开放原子大赛——开源工业软件算法集成大赛路演近期圆满收官。FastCAE特此推出【开源工业软件算法集成大赛优秀作品专栏】，聚焦第二届开放原子大赛路演成果。

大赛汇聚工业软件领域专业技术团队，通过组件化集成模式推动国产工业软件生态建设，现精选优秀作品进行集中展播。

本作品首先基于结构有限元库deal.II的线弹性求解器elasticity，依托FastCAE提供的网格生成引擎、几何操作界面、数据注册工厂等功能，开发了一个涵盖了网格生成、边界设置、材料配置、求解与后处理的结构有限元软件APPDealII。

其次，通过对FastCAE-Flow组件进行二次开发，集成新求解器，并结合APPDealII与preCICE，构建了一个能够实现流固耦合的仿真系统。

最后，借助FastCAE-Workbench，实现对上述仿真组件的统一管理，并支持在工作台中配置流固耦合仿真流程。

1 流固耦合系统集成背景

1.1流固耦合背景

流固耦合（Fluid-Structure Interaction, FSI）用于研究流体与固体间的相互作用，能够准确地反应真实的物理变化过程，广泛应用于汽车工业、航空航天、船舶工程等领域。但是目前进行流固耦合仿真主要采用商业软件，但是这些商业软件也存在着以下问题：

（1）数据格式不兼容：不同厂商之间的数据格式不兼容，导致跨平台或跨软件的流动性差，增加了数据转换和整合的工作量。

（2）授权费用昂贵：商业软件的授权费用昂贵，尤其对于中小型企业或个人开发者而言，成本成为使用的一个重要障碍。

（3）二次开发困难：商业软件通常提供的二次开发支持有限，无法灵活定制和扩展其功能，限制了特定需求的实现。

1.2系统介绍

针对商业流固耦合软件存在的问题，开发团队以开源多物理场数值模拟耦合库preCICE为基础，开发了一套灵活可拓展的流固耦合系统。该系统基于OpenFOAM流体计算平台和deal.II结构力学计算库，通过preCICE作为流固耦合的中间件，并开发适配器以实现求解器之间的数据交换和耦合。

图1 流固耦合系统组成

但是这些软件使用时需要通过命令行运行，流程缺乏自动化支持，并且需要切换其它软件完成前后处理交互流程。对于该问题，FastCAE软件通过采用开源底座加组件集群和学科套件的集成开发模式，将preCICE、OpenFOAM、deal.II集成为了三个软件：

AppPreCICE、AppOpenFOAM、AppDealII

AppPreCICE、AppOpenFOAM、AppDealII作为流固耦合组件，被整合到FastCAE-Workbench平台中。通过这种集成，用户将能够在UI界面中完成从前处理到求解再到后处理的流固耦合全过程，大幅提升使用效率并降低操作复杂度。

图2 FastCAE-Workbench平台

2 流固耦合系统技术实现

2.1分层架构

AppOpenFOAM、AppDealII组件负责流体与固体的求解参数设置、配置文件写出，AppPreCICE组件负责配置耦合参数、写出耦合配置文件、调用OpenFOAM与DealII求解器进行流固耦合计算。

三个组件都遵循 MVC 架构模式，每个组件都由三个模块构成：界面模块、操作器模块、以及Model模块（包含数据结构、参数文件IO模块和程序驱动模块）。

图3 架构示意图

三者中Model模块处于最底层，可以被界面与操作器访问与修改，操作器可以直接访问窗口，而窗口则可以通过访问操作器的基类抽象接口实现对操作器的控制，这样就做到了三者之间的彼此独立，且能够相互访问。不仅增强了代码的可维护性和扩展性，还提高了开发效率和系统的灵活性。

2.2流固耦合系统技术实现

流固耦合系统中各组件界面模块的实现，首先需要创建对应的组件工厂，在组件工厂中将FastCAE提供的GUI组件实例化为3D图形窗口、求解信息输出栏、窗口树。而每个软件中具体的参数窗口、操作窗口需要通过Qt控件来创建，并将其添加到窗口树中。

图4 界面模块实现

在操作器中，通过全局指针来访问组件工厂中对应的窗口树，操作器负责将树的子节点用节点对应的参数窗口进行实例化，从而在主界面中显示该窗口。

Model模块，负责数据的创建与修改、参数文件的读写和驱动程序。创建数据结构需要继承FastCAE提供的数据工厂基类，创建出每个组件对应的数据工厂，在数据工厂中添加具体的类用来存储如物理参数、网格集合参数、耦合参数。同时数据类也提供了访问、修改这些参数的方法。参数文件、字典文件写出类中，包含了一个Prm/Dict/XmlObject类，该类有一个数据容器Data用于存储各类型的参数，同时该类中包含了参数文件、字典文件字段添加的方法，还有将参数写出到文件的方法。

图5 数据结构与参数文件IO实现

在实际的字典文件写出过程中，用户在界面模块的输入窗口中输入了参数，这时会调用全局指针获取数据工厂的数据类，调用该数据类的修改方法将输入的参数同步到具体的数据对象中。而在写出时，同样通过全局指针来获取该数据对象，组件的参数写出类将调用字典写出函数将该数据写出到参数文件中。

图6 参数文件写出过程

驱动器如DealDriver等继承自FastCAE的第三方驱动程序工厂FITKProgramDriverFactory。在需要启动deal.II及OpenFOAM程序时，需要将启动命令写出为bash脚本，然后将脚本名传入到驱动器之中，就能以命令行的形式执行该脚本，启动仿真计算。

2.3流固耦合系统执行流程

基本的运行流程如下：

（1）流固耦合系统的搭建：通过操作FastCAE-Workbench，将AppDealII、OpenFOAM、AppPreCICE、CFDPost进行链接，其中AppDealII负责结构参数配置和求解，OpenFOAM负责流体参数配置和求解，AppPreCICE负责写出耦合配置文件管理参与者间的数据交换，CFDPost用于查看仿真结果。

（2）耦合参与者设置：通过在APPDealII以及FastCAE-Flow中进行界面交互，完成网格划分、边界设置、求解参数的设置，最后写出相关字典文件。

（3）耦合参数设置：配置耦合信息。其中包括流体耦合网格、数据信息，以及固体耦合网格、数据信息，并设置监测点。设置耦合方法，最终写出耦合信息。

（4）流固耦合求解：通过启动各参与者以及耦合模块进行耦合求解。

（5）启动后处理软件，查看后处理结果。

图7 流固耦合系统搭建

图8 流固耦合系统执行过程

3 功能介绍

3.1前处理流程

GUI：通过采用FastCAE提供的VTK渲染组件、信息输出组件、界面组件等，在三个软件的代码中进行组件的注册，根据三个软件的需求分别进行了实例化，形成了三个软件对应的UI。UI中包含了用来显示几何与网格的3D窗口、用于输出操作信息和求解信息的信息输出栏、参数设置模块。三个软件的参数设置窗口设计简洁明，支持关键参数（如湍流模型、边界条件、求解器类型等）的直观设置，结合智能提示与参数预设值功能，降低用户操作复杂度与出错率。

字典文件读写：首先是通过FastCAE底座中的核心层代码，开发了三个软件对应的数据工厂模块，作为数据结构来存储流固耦合计算所需要的物理参数、网格几何参数、耦合参数等。然后开发了三个软件对应的字典文件写出组件，用于写出deal.II、OpenFOAM、preCICE对应的参数文件。在实际的读写过程中，需要从GUI中的参数窗口获取窗口的参数，将其写入到数据工厂中对应的数据，然后再提取出写入到字典文件中。

网格功能：采用FastCAE中集成的OpenCASCADE引擎，创建几何模型；调用FastCAE中集成的OpenFOAM的网格工具，分别生成内流场(deal.II结构网格)、外流场网格(OpenFOAM流体网格)；结合边界条件高亮显示和标准视角切换工具，分别设置这些网格的边界条件。通过调用foamToVTK命令将内流场网格转换为VTK格式，以便deal.II程序读入。