第三方平台软件流固耦合mpcci介绍(中文版)案例.ppt

MpCCIMpCCI————模拟真实的物理世界模拟真实的物理世界 目录目录•流固耦合：现状和挑战•MpCCI软件•流固耦合方向的解决方案 Introduction to FSI•流固耦合 (FSI) 涵盖了非常广泛的涉及流体流动和结构变形相互作用的问题–这种相互作用可以是热的、机械的，也可以是二者都有的–可以是稳态问题，也可以是瞬态问题•许多重要的问题都涉及到某种形式的流固耦合–由于缺乏合适的求解技术，这种耦合效应通常都被简单地忽略掉•仅仅模拟单一场往往是不能满足工程需要的，在许多时候模拟单一场甚至于得出完全错误的结论 The Tacoma BridgeTacoma Narrows Bridge, 1940应用的对象应用的对象•航空航天/国防–机翼气动弹性–飞行器和弹体气动弹性分析–压气机和涡轮叶片气动弹性分析–由燃烧引起的推进消融•能源/油气–油箱晃动–管线, risers–热交换器 (核动力)•通用设备–泵、风机、液力变矩器•汽车–发动机、排气歧管、冷却水套的热应力分析–设计方程式赛车–Hydraulic engine mounts, disc brake system, ABS, shock absorbers•Electronics–Cooling of electronic components–Manufacturing of integrated circuits•Rubber–Flow limiters, seals–Tire hydroplaning流固耦合－－面临的挑战流固耦合－－面临的挑战•对使用者的挑战–对工程师提出了更高的要求•对解算器的挑战–流固耦合问题类型非常丰富，单一的求解器难以满足要求•对硬件资源的挑战–流固耦合问题计算量很大–流体固体的时间尺度往往相差很大MpCCIThe Standard of FSIWhat is MpCCI ？？•MpCCI： Mesh-based parallel Code Coupling Interface•MpCCI软件是由德国Fraunhofer科学计算法则研究所（SCAI）开发的面向多学科、多物理场的专业接口软件–Fraunhofer-SCAI从1996年开始从事MPCCI的研究工作，并成为这一领域的活跃领导者，推出MPCCI的前身CoCoLib和Grissli，并且得到了大量的工程验证。

•开发的目的就是为了向工程师们提供他们熟悉的单学科模拟程序的一个独立接口从而实现流固耦合 以以MpCCI为基础的流固耦合方案的架构为基础的流固耦合方案的架构MpCCI的工作原理的工作原理•结构和流体方程独立求解，互相交换边界条件•MpCCI自动完成耦合面上数据的插值和传递MpCCI的优势的优势•适应性强对特定的问题，使用“合适”的软件来解决•对运行平台，网络环境没有限制•支持大部分主流计算软件的直接耦合模拟•MpCCI提供了API Toolkit，可以方便的与用户自己编写的程序进行耦合计算•各计算软件建模相对独立，数据通过黑箱（MpCCI Server）传递，极大的减轻了工程师的工作量MpCCI所支持的仿真代码所支持的仿真代码Code APIResearch Codes, Inhouse CodesFLUXPERMASMSC.MARCIn preparation:• ESI-ACE+• STAR-CCM+• MSC.Nastran• NumecaHow EASY is Mpcci: A Simple ProcessMpCCI －－The Standard of FSIHow Easy we can use MpCCI 1.构造和运行独立的ABAQUS和FLUENT模型2.使用MPCCI的用户界面耦合独立的ABAQUS和FLUENT模型3.从MPCCI图形用户界面运行耦合仿真4.对耦合结果的考察和后处理建立建立 ABAQUS 和和FLUENT 模型模型•分别建立流体和固体模型–尺寸和位置对应–标识耦合面–其余的设置完全互相独立How Easy is MpCCI 1.构造和运行独立的CFD和FEM模型2.使用MPCCI的用户界面耦合独立的CFD和FEM模型3.从MPCCI图形用户界面运行耦合仿真4.对耦合结果的考察和后处理耦合独立的耦合独立的CFD和和FEM模型模型•指定使用的求解器和模型文件•耦合面配对•指定互相传输的变量MpCCI GUI Coupling panelHow Easy is MpCCI 1.构造和运行独立的CFD和FEM模型2.使用MPCCI的用户界面耦合独立的CFD和FEM模型3.从MPCCI图形用户界面运行耦合仿真4.对耦合结果的考察和后处理从从MPCCI图形用户界面运行耦合仿真图形用户界面运行耦合仿真•指定各个耦合程序的运行条件–运行参数–用户自定义程序–并行设置–后台运行？–。

•在MpCCI统一的图形界面上运行各程序，开始耦合计算–各程序可以运行在不同机器，不同平台之上MpCCI GUI Go panelHow Easy is MpCCI 1.构造和运行独立的CFD和FEM模型2.使用MPCCI的用户界面耦合独立的CFD和FEM模型3.从MPCCI图形用户界面运行耦合仿真4.对耦合结果的后处理流固耦合的后处理•使用各个耦合软件的后处理功能•使用第三方的专用后处理软件•使用MpCCI自带的后处理程序Interface loads shown with a contour plot (left) and vector plot (right) in ABAQUS/ViewerHow WIDELY used is Mpcci: ExamplesMpCCI －－The Standard of FSI流固耦合在宇航工业的应用流固耦合在宇航工业的应用•弹体及弹翼气动弹性  流体与结构耦合作用明显•高温热防护  热固耦合Example: : 发动机水套冷却分析•利用ABAQUS-FLUENT联合模拟传热分析，然后用ABAQUS单独分析热应力•结构和CFD模型由Deutz, AG提供•仿真目标–获得稳态的温度分布–获得可靠的热应力分布气缸盖模型气缸盖模型•~290,000 DC3D4 elements (heat transfer analysis)•Cast ironwater flowgas exhaust流体和固体模型流体和固体模型•Complex geometry•530,000 tetrahedral cellsFLUENTABAQUS温度分布温度分布Uncoupled analysisABAQUS-FLUENT analysisHotterCooler热应力热应力ABAQUS-FLUENT analysis使用使用MpCCI架构对冷却叶片的模拟架构对冷却叶片的模拟•几何非常复杂 •射流同主流的干扰 •流体与固体的耦合换热•使用Fluent+Abaqus软件对此问题进行了模拟 叶片冷却部分计算结果叶片冷却部分计算结果Example: 阀耐实验有限公司的流体流动阀模拟阀耐实验有限公司的流体流动阀模拟•定制的工程阀,要求在变化的入口压力条件下得到恒定的流量输出–确定的主流入口压力范围 0–40 psi–要求在操作压力范围提供恒定的流量输出–实验验证Under high pressureUnder low pressureFlow control value cross-sectionModel geometry and test data provided courtesy of Vernay LaboratoriesResultsOutlet Flow Rate vs. Inlet PressureInlet PressureOutlet Flow RateCustomer Feedback“Vernay has long been a user of ABAQUS for the structural side but the addition of coupled fluid analysis will eliminate what has been historically the cut and try approach to product development when fluid flow plays a significant role.” 滑翔机机翼的空气动力学研究滑翔机机翼的空气动力学研究•DG-1000 glider wing•Original linear-elastic simulation was performed by Zentrum für Strukturtechnologien, ETH Zürich •Example extends the simulation by including large-displacement effects •Simulation objective–Determine aerodynamic performance for different wing designs DG-1000 滑翔机滑翔机 •大的机翼跨度和机身长度大的机翼跨度和机身长度–两座滑翔机，20米的机翼跨度–柔性、低阻尼结构•分析三种结构分析三种结构:–结构 A, Rake angle = -1°–结构B, Rake angle = -5°–结构C, Rake angle = -10° •机翼的扭转响应将随着前倾角变化机翼的扭转响应将随着前倾角变化（（Rake angle）） –这将改变在机翼周围的流体流动，因此将改变其空气动力学性能Dehning, C., P. Post, C. Rumpler, K. Wolf, C. Ledermann, F. Hurlimann, P. Ermanni, “Fluid-Strukturkopplungen mit MpCCI,” 2004模型说明模型说明•ABAQUS model–~37,000 S4/S3 elements–Large geometric effects–Linear-elastic composite properties•FLUENT model–~723,000 tetrahedral cells–Incompressible laminar flow 结果对比结果对比•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 simulations•An increase in lift and drag forces is observed with a larger negative rake angle for FSI simulations•The 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/hFlow Field Animation安溢阀门工作模拟简介安溢阀门工作模拟简介安溢阀门工作示意图 1．膜片 2.O形圈 3.反馈管 4.指挥阀 5.主弹簧 6.主活塞 模拟思路模拟思路•阀门系统从几何模型到物理现象都非常复杂。

单独的流体分析或固体分析已经是非常困难的问题•整个系统是一个标准的流固耦合系统流体腔的管路信号延迟性能与阀门的弹簧振子系统对工作状态有着直接的影响•使用MpCCI软件，实现了对阀门系统的流固耦合模拟流体和固体模型流体和固体模型预装配完成后膜片的应力状态预装配完成后膜片的应力状态主阀门运动状态主阀门运动状态控制阀门运动状态（二）控制阀门运动状态（二）流场压力、速度变化图流场压力、速度变化图主阀门运动曲线主阀门运动曲线大展旋比翼身组合弹体的静气动弹性分析大展旋比翼身组合弹体的静气动弹性分析•方法：采用MPCCI软件联合Fluent 和Ansys软件进行静气动弹性分析 •流体软件采用定常方法，结构分析软件采用稳态求解器 •采用一个简单的大展弦比翼身组合体外形，如图所示： 大展旋比翼身组合弹体的静气动弹性分析大展旋比翼身组合弹体的静气动弹性分析•计算状态：Ma=0.6，α=5°，H=0 km •主要分析弹翼的静气动弹性问题 •在CFD建模和有限元建模时仅选择一片翼面做为耦合面 •全弹气动网格100万左右，均为非结构化网格，有限元网格为30万 •计算结果：主要分析翼面法向力情况 ，刚体法向力系数与弹性体法向力系数见下表 CN非耦合翼面0.827耦合翼面1.016大展旋比翼身组合弹体的静气动弹性分析大展旋比翼身组合弹体的静气动弹性分析•计算结果：翼面压力分布云图大展旋比翼身组合弹体的静气动弹性分析大展旋比翼身组合弹体的静气动弹性分析•计算结果：翼面速度分布云图 大展旋比翼身组合弹体的静气动弹性分析大展旋比翼身组合弹体的静气动弹性分析•计算结果：翼面结构变形图 大展旋比翼身组合弹体的静气动弹性分析大展旋比翼身组合弹体的静气动弹性分析•计算结果：沿翼型压力分布大展旋比翼身组合弹体的静气动弹性分析大展旋比翼身组合弹体的静气动弹性分析•总的计算结果比较理想 ，翼面结构变形与流场变化都在预计之中 •突破：计算输出除了机翼的变形、总气动力、弯剪扭外，还能得到变形后翼型上每点的压力分布 。

大展旋比翼身组合弹体的静气动弹性分析结论大展旋比翼身组合弹体的静气动弹性分析结论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 = Flutter frequencyExample: 1D – 3D Flow Analysis © Flowmaster, EnglandSimulations of 1D – 3D flow problems:• Fluent• FlowmasterY-junctionPlanned: Compartment comfortWHY MpCCI?MpCCI －－The Standard of FSI•基于基于MpCCIMpCCI的流固耦合解决方案可以求解二维流固的流固耦合解决方案可以求解二维流固耦合问题耦合问题–三维问题有时可以假设为二维问题–三维流固耦合计算量非常大，我们往往需要建立验证性的二维计算模型•基于基于MpCCIMpCCI的流固耦合解决方案可以模拟从的流固耦合解决方案可以模拟从自然对流到高超音速的问题自然对流到高超音速的问题•实际模拟的流固耦合问题问题多种多样–可压缩流–不可压缩流–低速流–超音速–。

•基于基于MpCCIMpCCI的流固耦合解决方案能够解决大的流固耦合解决方案能够解决大变形的问题变形的问题–流固耦合问题经常涉及到大位移和大变形–FLUENT在动网格领域远远领先与其他CFD软件–使用FLUENT和MpCCI耦合可以顺利地模拟大变形问题•基于基于MpCCIMpCCI的流固耦合解决方案能够解决高的流固耦合解决方案能够解决高度非线性的问题度非线性的问题–对于流固耦合效应很强的工况，结构的响应往往是高度非线性的–以MpCCI为基础的流固耦合方案可以选择合适的FEM软件解决此类问题•基于基于MpCCIMpCCI的流固耦合解决方案能够在各种环境（如的流固耦合解决方案能够在各种环境（如ClusterCluster）下实现并行计算）下实现并行计算–流固耦合的计算量远远大于单独流体或者单独固体的分析，对硬件提出了很大的挑战–MpCCI采用Client-Server体系结构，客户机和服务器的通信采用TCP/IP协议，使得流固耦合可以运行于任何的主流计算机平台，以及网络环境–客户端代码本身的并行仍然采用原有的并行机制•基于基于MpCCIMpCCI的流固耦合解决方案能够实现时间异步的流固的流固耦合解决方案能够实现时间异步的流固耦合分析耦合分析–对于流固耦合问题来说，流体和固体的响应时间往往相差很大–CFD软件和FEM软件对分析时间步长也有不同的要求–基于MpCCI的流固耦合可以对流体和固体单独设定各自的时间步长Yes，， I love MpCCI!•MpCCI的特点–功能强大功能强大能直接耦合大部分主流的数值计算软件–灵活灵活能够在各种平台和环境下运行–可扩展可扩展提供了API接口，方便与用户自己的程序或其他商用程序耦合–易用易用设置简单，不需要了解底层的协议•MpCCI把对各种实际复杂工况的流固耦合模拟真正真正变成了可能谢谢大家人有了知识，就会具备各种分析能力，人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。

明辨是非的能力所以我们要勤恳读书，广泛阅读，所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说古人说“书中自有黄金屋书中自有黄金屋通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面有许多书籍还能培养我们的道德情操，有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进鼓舞我们前进。