基于MPCCI的流固耦合成功案例

1、基于MPCCI的流固耦合成功案例newmaker（一）機翼氣動彈性分析 1 問題陳述 機翼繞流問題是流固耦合中的經典問題。以前由于缺乏考慮流固耦合的軟件，傳統(tǒng)的分析方法是將機翼視為剛體，不考慮其彈性變形，通過CFD軟件來計算機翼附近的流場。這個強硬的假設很難準確的描述流場的實際情況。更無法預測機翼的振動。MPCCI是基于代碼耦合的并行計算接口，它可以同時調用結構和流體的軟件來實現流固耦合。我們通過MPCCI，能很好的預測真實情況下的機翼繞流問題。采用ABAQUS結構分析軟件來求解結構在流暢作用下的變形和應力分布，通過Fluent軟件來計算由于固體運動和變形對整個流場的影響。 2 模擬過程分析順

2、序 MpCCI的圖形用戶界面 可以方便的讀入結構和流體的輸入文件。后臺調用ABAQUS和FLUENT。在MPCCI耦合面板中選擇耦合面，然后選擇在相應耦合面上流體和固體需要交換的量。啟動MpCCI進行耦合。 3 邊界條件設置 圖1 無人機模型和流體計算模型結構部分單個機翼跨度在1.5m左右，厚度為0.1m左右。邊界條件為機翼端部的固定，三個方向的位移完全固定，另一端完全自由。在固體中除了固定端的面外，其他三個面為耦合面。流體部分采用四面體網格，采用理想氣體作為密度模型。流體的入口和出口以及對稱性邊界條件如下圖所示。 圖2 固體有限元模型4 計算方法的選擇 通過結合ABAQUS和FLUENT，使

3、用MPCCI計算流固耦合。在本例中，固體在流場作用下產生很大的變形和運動。在耦合區(qū)域，固體結構部分計算耦合面上的節(jié)點位移，通過MPCCI傳輸給FLUENT的耦合界面，FLUENT 計算出耦合區(qū)域上的節(jié)點力載荷，然后通過MPCCI傳給結構軟件ABAQUS。在MPCCI的耦合面板中選擇的耦合面如圖所示，交換量為：節(jié)點位移、相對受力。采用ABAQUS中的STANDARD算法，時間增量步長為0.1毫秒。 5 計算結論 通過MPCCI結合ABAQUS和FLUENT，成功地計算在幾何非線性條件下的氣動彈性問題，得到了整個流體區(qū)域的流場分布以及結構的動態(tài)響應歷程。 圖3 不同時刻的機翼變形(二)節(jié)流閥流固耦

4、合 閥耐實驗有限公司的流體流動閥模擬（ 幾何模型和試驗值由Vernay Laboratories提供） 世界最領先的閥門公司Vernay公司，應用MpCCI結合ABAQUS和FLUENT對氣閥進行優(yōu)化設計。設計目標為：在定制的工程閥上,要求在變化的入口壓力條件下得到恒定的流量輸出。 氣閥的工作原理：在變壓的入口，氣流作用在閥門口的超彈性材料上，隨著入口壓力的增大，超彈性材料，產生很大的變形，從而逐漸縮小入口口徑，這樣保證通過氣閥的流量是一定的。示意如下圖： 圖4 流動控制閥刨面實際幾何結構和模型如下所示 圖5 氣閥耦合計算結構和模型固體部分材料是超彈性材料，變形存在很大的非線性，采用ABAQU

5、S作為流固耦合的固體耦合軟件，采用C3D8RH雜交減積分單元，單元數大約是22000個。橡膠氣閥部分和外邊界采用有限滑移摩擦（Finite-sliding frictional contact）。流體部分采用FLUENT軟件作為耦合的流體計算軟件，采用標準的k- 模型，四面體單元，單元數大約在233000個單元。 通過試驗值和數值模擬值得比較可以，MpCCI集合ABAQUS和FLUENT有很好的預測效果。 圖6 流量和入口壓力關系曲線為此，得到閥耐公司的高度評價， “Vernay是ABAQUS的長期客戶。當流體流動扮演重要作用時與流體的耦合分析將排除傳統(tǒng)的反復切割實驗的方法來開發(fā)新產品”。 （

6、三）滑翔機機翼的空氣動力學研究 圖7 滑翔機結構采用的模型是DG-1000 滑翔機機翼。Zentrum fr Strukturtechnologien, ETH Zrich 最 先采用采用了小變形線彈性模擬了這個模型，采用MpCCI模擬大變形對氣流場的影響。 模擬的目標：決定不同的機翼設計對氣動性能的影響。 DG-1000 滑翔機機翼具有大的機翼跨度和機身長度，機翼跨度是20米。結構性能是柔性、低阻尼。在計算分析中采用三種不同前傾斜角分別為-1度，-5度和-10度，如下圖所示 Dehning, C., P. Post, C. Rumpler, K. Wolf, C. Ledermann, F. Hurlimann, P. Ermanni, “Fluid-Strukturkopplungen mit MpCCI,” 2004 圖8 三種不同的前傾角度由于機翼的扭轉響應將隨著前傾角變化而改變在機翼周圍的流體流動，因此將改變其空氣動力學性能。 在模擬過程中，固體耦合軟件采用ABAQUS有限元軟件，采用S4/S3單元，總的單元數為37000個?？紤]材料的大變形，線彈性復合材料。流體采用FLUENT為耦合的流體計算軟件，采用了723000個四面