第三方平臺(tái)軟件流固耦合mpcci介紹(中文版)

1、MpCCIMpCCI模擬真實(shí)的物理世界模擬真實(shí)的物理世界 目錄目錄 流固耦合：現(xiàn)狀和挑戰(zhàn) MpCCI軟件 流固耦合方向的解決方案 Introduction to FSI 流固耦合 (FSI) 涵蓋了非常廣泛的涉及流體流動(dòng)和結(jié)構(gòu)變形相互作用的問(wèn)題 這種相互作用可以是熱的、機(jī)械的，也可以是二者都有的 可以是穩(wěn)態(tài)問(wèn)題，也可以是瞬態(tài)問(wèn)題 許多重要的問(wèn)題都涉及到某種形式的流固耦合 由于缺乏合適的求解技術(shù)，這種耦合效應(yīng)通常都被簡(jiǎn)單地忽略掉。 僅僅模擬單一場(chǎng)往往是不能滿(mǎn)足工程需要的，在許多時(shí)候模擬單一場(chǎng)甚至于得出完全錯(cuò)誤的結(jié)論 The Tacoma BridgeTacoma Narrows Bridge,

2、1940應(yīng)用的對(duì)象應(yīng)用的對(duì)象 航空航天/國(guó)防機(jī)翼氣動(dòng)彈性飛行器和彈體氣動(dòng)彈性分析壓氣機(jī)和渦輪葉片氣動(dòng)彈性分析由燃燒引起的推進(jìn)消融 能源/油氣油箱晃動(dòng)管線, risers熱交換器 (核動(dòng)力) 通用設(shè)備泵、風(fēng)機(jī)、液力變矩器 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣歧管、冷卻水套的熱應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方程式賽車(chē)Hydraulic engine mounts, disc brake system, ABS, shock absorbers ElectronicsCooling of electronic componentsManufacturing of integrated circuits RubberFlow limite

3、rs, sealsTire hydroplaning流固耦合面臨的挑戰(zhàn)流固耦合面臨的挑戰(zhàn) 對(duì)使用者的挑戰(zhàn) 對(duì)工程師提出了更高的要求 對(duì)解算器的挑戰(zhàn) 流固耦合問(wèn)題類(lèi)型非常豐富，單一的求解器難以滿(mǎn)足要求 對(duì)硬件資源的挑戰(zhàn) 流固耦合問(wèn)題計(jì)算量很大 流體固體的時(shí)間尺度往往相差很大MpCCIThe Standard of FSIWhat is MpCCI ？ MpCCI： Mesh-based parallel Code Coupling Interface MpCCI軟件是由德國(guó)Fraunhofer科學(xué)計(jì)算法則研究所（SCAI）開(kāi)發(fā)的面向多學(xué)科、多物理場(chǎng)的專(zhuān)業(yè)接口軟件 Fraunhofer-SCAI從

4、1996年開(kāi)始從事MPCCI的研究工作，并成為這一領(lǐng)域的活躍領(lǐng)導(dǎo)者，推出MPCCI的前身CoCoLib和Grissli，并且得到了大量的工程驗(yàn)證。 開(kāi)發(fā)的目的就是為了向工程師們提供他們熟悉的單學(xué)科模擬程序的一個(gè)獨(dú)立接口從而實(shí)現(xiàn)流固耦合 以以MpCCI為基礎(chǔ)的流固耦合方案的架構(gòu)為基礎(chǔ)的流固耦合方案的架構(gòu)MpCCI的工作原理的工作原理 結(jié)構(gòu)和流體方程獨(dú)立求解，互相交換邊界條件 MpCCI自動(dòng)完成耦合面上數(shù)據(jù)的插值和傳遞MpCCI的優(yōu)勢(shì)的優(yōu)勢(shì)適應(yīng)性強(qiáng)。對(duì)特定的問(wèn)題，使用“合適”的軟件來(lái)解決對(duì)運(yùn)行平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境沒(méi)有限制支持大部分主流計(jì)算軟件的直接耦合模擬MpCCI提供了API Toolkit，可以方便

5、的與用戶(hù)自己編寫(xiě)的程序進(jìn)行耦合計(jì)算各計(jì)算軟件建模相對(duì)獨(dú)立，數(shù)據(jù)通過(guò)黑箱（MpCCI Server）傳遞，極大的減輕了工程師的工作量MpCCI所支持的仿真代碼所支持的仿真代碼Code APIResearch Codes, Inhouse CodesFLUXPERMASMSC.MARCIn preparation: ESI-ACE+ STAR-CCM+ MSC.Nastran NumecaHow EASY is Mpcci: A Simple ProcessMpCCI The Standard of FSIHow Easy we can use MpCCI 構(gòu)造和運(yùn)行獨(dú)立的ABAQUS和FLUEN

6、T模型 使用MPCCI的用戶(hù)界面耦合獨(dú)立的ABAQUS和FLUENT模型 從MPCCI圖形用戶(hù)界面運(yùn)行耦合仿真 對(duì)耦合結(jié)果的考察和后處理建立建立 ABAQUS 和和FLUENT 模型模型 分別建立流體和固體模型尺寸和位置對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)耦合面其余的設(shè)置完全互相獨(dú)立How Easy is MpCCI 構(gòu)造和運(yùn)行獨(dú)立的CFD和FEM模型 使用MPCCI的用戶(hù)界面耦合獨(dú)立的CFD和FEM模型 從MPCCI圖形用戶(hù)界面運(yùn)行耦合仿真 對(duì)耦合結(jié)果的考察和后處理耦合獨(dú)立的耦合獨(dú)立的CFD和和FEM模型模型 指定使用的求解器和模型文件 耦合面配對(duì) 指定互相傳輸?shù)淖兞縈pCCI GUI Coupling panelHo

7、w Easy is MpCCI 構(gòu)造和運(yùn)行獨(dú)立的CFD和FEM模型 使用MPCCI的用戶(hù)界面耦合獨(dú)立的CFD和FEM模型 從MPCCI圖形用戶(hù)界面運(yùn)行耦合仿真 對(duì)耦合結(jié)果的考察和后處理從從MPCCI圖形用戶(hù)界面運(yùn)行耦合仿真圖形用戶(hù)界面運(yùn)行耦合仿真 指定各個(gè)耦合程序的運(yùn)行條件 運(yùn)行參數(shù) 用戶(hù)自定義程序 并行設(shè)置 后臺(tái)運(yùn)行？ 。 在MpCCI統(tǒng)一的圖形界面上運(yùn)行各程序，開(kāi)始耦合計(jì)算 各程序可以運(yùn)行在不同機(jī)器，不同平臺(tái)之上MpCCI GUI Go panelHow Easy is MpCCI 構(gòu)造和運(yùn)行獨(dú)立的CFD和FEM模型 使用MPCCI的用戶(hù)界面耦合獨(dú)立的CFD和FEM模型 從MPCCI圖形用

8、戶(hù)界面運(yùn)行耦合仿真 對(duì)耦合結(jié)果的后處理流固耦合的后處理 使用各個(gè)耦合軟件的后處理功能 使用第三方的專(zhuān)用后處理軟件 使用MpCCI自帶的后處理程序Interface loads shown with a contour plot (left) and vector plot (right) in ABAQUS/ViewerHow WIDELY used is Mpcci: ExamplesMpCCI The Standard of FSI流固耦合在宇航工業(yè)的應(yīng)用流固耦合在宇航工業(yè)的應(yīng)用 彈體及彈翼氣動(dòng)彈性 流體與結(jié)構(gòu)耦合作用明顯 高溫?zé)岱雷o(hù) 熱固耦合Example: : 發(fā)動(dòng)機(jī)水套冷卻分析 利用

9、ABAQUS-FLUENT聯(lián)合模擬傳熱分析，然后用ABAQUS單獨(dú)分析熱應(yīng)力 結(jié)構(gòu)和CFD模型由Deutz, AG提供 仿真目標(biāo) 獲得穩(wěn)態(tài)的溫度分布 獲得可靠的熱應(yīng)力分布?xì)飧咨w模型氣缸蓋模型290,000 DC3D4 elements (heat transfer analysis)Cast ironwater flowgas exhaust流體和固體模型流體和固體模型Complex geometry530,000 tetrahedral cellsFLUENTABAQUS溫度分布溫度分布Uncoupled analysisABAQUS-FLUENT analysisHotterCooler熱

10、應(yīng)力熱應(yīng)力ABAQUS-FLUENT analysis使用使用MpCCI架構(gòu)對(duì)冷卻葉片的模擬架構(gòu)對(duì)冷卻葉片的模擬 幾何非常復(fù)雜 射流同主流的干擾 流體與固體的耦合換熱 使用Fluent+Abaqus軟件對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了模擬 葉片冷卻部分計(jì)算結(jié)果葉片冷卻部分計(jì)算結(jié)果Example: 閥耐實(shí)驗(yàn)有限公司的流體流動(dòng)閥模擬閥耐實(shí)驗(yàn)有限公司的流體流動(dòng)閥模擬 定制的工程閥,要求在變化的入口壓力條件下得到恒定的流量輸出 確定的主流入口壓力范圍 040 psi 要求在操作壓力范圍提供恒定的流量輸出 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Under high pressureUnder low pressureFlow control valu

11、e cross-sectionModel geometry and test data provided courtesy of Vernay LaboratoriesResultsOutlet Flow Rate vs. Inlet PressureInlet PressureOutlet Flow RateCustomer Feedback“Vernay has long been a user of ABAQUS for the structural side but the addition of coupled fluid analysis will eliminate what h

12、as been historically the cut and try approach to product development when fluid flow plays a significant role.” 滑翔機(jī)機(jī)翼的空氣動(dòng)力學(xué)研究滑翔機(jī)機(jī)翼的空氣動(dòng)力學(xué)研究DG-1000 glider wingOriginal linear-elastic simulation was performed by Zentrum fr Strukturtechnologien, ETH Zrich Example extends the simulation by including larg

13、e-displacement effectsSimulation objectiveDetermine aerodynamic performance for different wing designsDG-1000 滑翔機(jī)滑翔機(jī) 大的機(jī)翼跨度和機(jī)身長(zhǎng)度大的機(jī)翼跨度和機(jī)身長(zhǎng)度 兩座滑翔機(jī)，20米的機(jī)翼跨度 柔性、低阻尼結(jié)構(gòu)分析三種結(jié)構(gòu)分析三種結(jié)構(gòu): 結(jié)構(gòu) A, Rake angle = -1 結(jié)構(gòu)B, Rake angle = -5 結(jié)構(gòu)C, Rake angle = -10 機(jī)翼的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)將隨著前傾角變化（機(jī)翼的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)將隨著前傾角變化（Rake angle） 這將改變?cè)跈C(jī)翼周?chē)牧黧w流動(dòng)

14、，因此將改變其空氣動(dòng)力學(xué)性能Dehning, C., P. Post, C. Rumpler, K. Wolf, C. Ledermann, F. Hurlimann, P. Ermanni, “Fluid-Strukturkopplungen mit MpCCI,” 2004模型說(shuō)明模型說(shuō)明ABAQUS model37,000 S4/S3 elementsLarge geometric effectsLinear-elastic composite propertiesFLUENT model723,000 tetrahedral cellsIncompressible laminar fl

15、ow 結(jié)果對(duì)比結(jié)果對(duì)比Comparisons between a rigid wing (CFD-only analysis) and an elastic wing (FSI simulation)The effect of forward rake angle on the aerodynamic response is not captured by CFD-only simulationsAn increase in lift and drag forces is observed with a larger negative rake angle for FSI simulation

16、sThe structural behavior is important in order to obtain accurate prediction of the aerodynamic glider responseLift (elastic)Drag (elastic)Lift (rigid)Drag (rigid)Aerodynamic forces at 140 km/hFlow Field Animation安溢閥門(mén)工作模擬簡(jiǎn)介安溢閥門(mén)工作模擬簡(jiǎn)介安溢閥門(mén)工作示意圖 1膜片 2.O形圈 3.反饋管 4.指揮閥 5.主彈簧 6.主活塞 模擬思路模擬思路閥門(mén)系統(tǒng)從幾何模型到物理現(xiàn)象都

17、非常復(fù)雜。單獨(dú)的流體分析或固體分析已經(jīng)是非常困難的問(wèn)題整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的流固耦合系統(tǒng)。流體腔的管路信號(hào)延遲性能與閥門(mén)的彈簧振子系統(tǒng)對(duì)工作狀態(tài)有著直接的影響。使用MpCCI軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)閥門(mén)系統(tǒng)的流固耦合模擬流體和固體模型流體和固體模型預(yù)裝配完成后膜片的應(yīng)力狀態(tài)預(yù)裝配完成后膜片的應(yīng)力狀態(tài)主閥門(mén)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主閥門(mén)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制閥門(mén)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（二）控制閥門(mén)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（二）流場(chǎng)壓力、速度變化圖流場(chǎng)壓力、速度變化圖主閥門(mén)運(yùn)動(dòng)曲線主閥門(mén)運(yùn)動(dòng)曲線大展旋比翼身組合彈體的靜氣動(dòng)彈性分析大展旋比翼身組合彈體的靜氣動(dòng)彈性分析 方法：采用MPCCI軟件聯(lián)合Fluent 和Ansys軟件進(jìn)行靜氣動(dòng)彈性分析 流體軟件采用定常方法

18、，結(jié)構(gòu)分析軟件采用穩(wěn)態(tài)求解器 采用一個(gè)簡(jiǎn)單的大展弦比翼身組合體外形，如圖所示： 大展旋比翼身組合彈體的靜氣動(dòng)彈性分析大展旋比翼身組合彈體的靜氣動(dòng)彈性分析計(jì)算狀態(tài)：Ma=0.6，=5，H=0 km 主要分析彈翼的靜氣動(dòng)彈性問(wèn)題 在CFD建模和有限元建模時(shí)僅選擇一片翼面做為耦合面 全彈氣動(dòng)網(wǎng)格100萬(wàn)左右，均為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，有限元網(wǎng)格為30萬(wàn)。 計(jì)算結(jié)果：主要分析翼面法向力情況 ，剛體法向力系數(shù)與彈性體法向力系數(shù)見(jiàn)下表 CN非耦合翼面0.827耦合翼面1.016大展旋比翼身組合彈體的靜氣動(dòng)彈性分析大展旋比翼身組合彈體的靜氣動(dòng)彈性分析 計(jì)算結(jié)果：翼面壓力分布云圖大展旋比翼身組合彈體的靜氣動(dòng)彈性分析大

19、展旋比翼身組合彈體的靜氣動(dòng)彈性分析 計(jì)算結(jié)果：翼面速度分布云圖 大展旋比翼身組合彈體的靜氣動(dòng)彈性分析大展旋比翼身組合彈體的靜氣動(dòng)彈性分析 計(jì)算結(jié)果：翼面結(jié)構(gòu)變形圖 大展旋比翼身組合彈體的靜氣動(dòng)彈性分析大展旋比翼身組合彈體的靜氣動(dòng)彈性分析 計(jì)算結(jié)果：0.00.20.40.60.81.0-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.8 彈性 剛體XCp沿翼型壓力分布大展旋比翼身組合彈體的靜氣動(dòng)彈性分析大展旋比翼身組合彈體的靜氣動(dòng)彈性分析 總的計(jì)算結(jié)果比較理想 ，翼面結(jié)構(gòu)變形與流場(chǎng)變化都在預(yù)計(jì)之中 突破：計(jì)算輸出除了機(jī)翼的變形、總氣動(dòng)力、彎剪扭外，還能得到變形后翼型上每

20、點(diǎn)的壓力分布 。大展旋比翼身組合彈體的靜氣動(dòng)彈性分析結(jié)論大展旋比翼身組合彈體的靜氣動(dòng)彈性分析結(jié)論Example: Flutter Analysis of Wing Tekno Tasarim, TurkeySimulation of the fluttering of a Agard wing 445.6H by Tekno Tasarim Inc., Turkey (see proceedings 9th MpCCI User Forum): Fluent MSC.MarcFSI = Flutter speed indexFFR = Flutter frequency ratioFF = F

21、lutter frequencyExample: 1D 3D Flow Analysis Flowmaster, EnglandSimulations of 1D 3D flow problems: Fluent FlowmasterY-junctionPlanned: Compartment comfortWHY MpCCI?MpCCI The Standard of FSI 基于基于MpCCIMpCCI的流固耦合解決方案可以求解二維流固的流固耦合解決方案可以求解二維流固耦合問(wèn)題耦合問(wèn)題三維問(wèn)題有時(shí)可以假設(shè)為二維問(wèn)題三維流固耦合計(jì)算量非常大，我們往往需要建立驗(yàn)證性的二維計(jì)算模型 基于基于MpCCIMpCCI的流固耦合解決方案可以模擬從的流固耦合解決方案可以模擬從自然對(duì)流到高超音速的問(wèn)題自然對(duì)流到高超音速的問(wèn)題 實(shí)際模擬的流固耦合問(wèn)題問(wèn)題多種多樣可壓縮流不可壓縮流低速流超音速。 基于基于MpCCIMpCCI的流固耦合解決方案能夠解決大的流固耦合解決方案能夠解決大變形