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Yinghao's Blog

基于三维重建的计算流体力学模拟

流体机械中一些形状较为复杂的部件周围的流场难以在实际工况下进行测量。本研究旨在提供一种数字孪生手段，通过三维扫描-三维重建-CFD计算流体力学(CFD)仿真的方法还原实际部件周围的流场。

为了验证扫描-重建-模拟方法的有效性，对同一零件风洞实验和CFD模拟的结果进行对比。为此我搭建了一套吸气式风洞系统，结合PIV测量系统可以可视化测量流场。对一圆柱体分别开展了相同工况下的风洞实验和CFD仿真，二者结果非常相似，可以说明该方法可一定程度还原物体周围真实流场。之后对一形状复杂的风扇叶片进行了重建，并三维CFD仿真了扇叶转动的流场变化情况。

风洞搭建与风洞实验

我先后搭建了一套吹气式风洞（基于天然气预混贫燃实验平台）和一套吸气式风洞，对比两者的空流场发现吸入式风洞的流场更为均匀，有利于观测，因此采用了如图1所示的吸气式风洞方案。整个PIV (Particle Image Velocimetry)测量系统和风洞的布局如图2所示。

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图 1. 吸入式风洞布局

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图 2. 风洞及PIV系统布局

利用该PIV+风洞系统对一圆柱进行风洞实验。图3显示了该实验的流场涡量，可以清晰观察到卡门涡街的产生。

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图3 . 某一瞬间风洞实验（左）和CFD仿真（右）的流场涡量图

三维重建与计算流体力学模拟

使用图4所示的双目+结构光对实验物体进行扫描，之后在space claim中对mesh进行修复或者提取关键特征重建。

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图 4. 双目立体视觉系统

提取实验物体横截面进行2D CFD (Computational Fluid Dynamics) 仿真，建网格如图5，在圆柱形周围采取加密网格，仿真采取与风洞实验相同的边界条件。图3右图展示了某一瞬间模拟的流场涡量图，可以观察到与左侧风洞实验的结果非常相似，且数值也较为接近，说明对实验物体重建后进行CFD仿真可以一定程度上还原风洞实验的结果。

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图 5. 圆柱2D仿真网格划分

复杂形状物体重建与三维流场模拟

采取上述结构光扫描-重建-仿真的方法对图6所示的风扇进行了扫描。考虑到风扇五个叶片是相同且中心对称分布的，因此可以只对一个叶片进行重建然后做环形阵列即可得到五个叶片。图7展示了风扇叶片的重建步骤，提取出一个叶片后获得叶片的多个横截面，对这些横截面轮廓进行拟合，根据拟合的横截面重建一个叶片。

网格划分如图8，将叶片置于一个长方体流场中，设置叶片为可动固体边界，转动速度参考风扇转速。仿真结果如图9-11所示。

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图 6. 实验用风扇

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图 7. 风扇重建步骤

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图 8. 网格划分		image-20220315173202762
图 9. 流场流线图
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图 10. 流场压力分布		image-20220315173214214
图 11. 叶片前后压力对比