第三方平台软件流固耦合mpcci介绍(中文版)案例

MpCCI——模拟真实的物理世界目录•流固耦合：现状和挑战•MpCCI软件•流固耦合方向的解决方案IntroductiontoFSI•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TheTacomaBridgeTacomaNarrowsBridge,1940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–Hydraulicenginemounts,discbrakesystem,ABS,shockabsorbers•Electronics–Coolingofelectroniccomponents–Manufacturingofintegratedcircuits•Rubber–Flowlimiters,seals–Tirehydroplaning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MpCCITheStandardofFSIWhatisMpCCI？•MpCCI：Mesh-basedparallelCodeCouplingInterface•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MpCCI为基础的流固耦合方案的架构MpCCI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•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APIToolkit，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（MpCCIServer）传递，极大的减轻了工程师的工作量MpCCI所支持的仿真代码CodeAPIResearchCodes,InhouseCodesFLUXPERMASMSC.MARCInpreparation:•ESI-ACE+•STAR-CCM+•MSC.Nastran•NumecaHowEASYisMpcci:ASimpleProcessMpCCI－TheStandardofFSIHowEasywecanuseMpCCI1.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ABAQUS和FLUENT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HowEasyisMpCCI1.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CFD和FEM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MpCCIGUICouplingpanelHowEasyisMpCCI1.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MPCCI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MpCCIGUIGopanelHowEasyisMpCCI1.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Interfaceloadsshownwithacontourplot(left)andvectorplot(right)inABAQUS/ViewerHowWIDELYusedisMpcci:ExamplesMpCCI－TheStandardofFSI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•~290,000DC3D4elements(heattransferanalysis)•Castironwaterflowgasexhaust流体和固体模型•Complexgeometry•530,000tetrahedralcellsFLUENTABAQUS温度分布UncoupledanalysisABAQUS-FLUENTanalysisHotterCooler热应力ABAQUS-FLUENTanalysis使用MpCCI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Example: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0–40psi–要求在操作压力范围提供恒定的流量输出–实验验证UnderhighpressureUnderlowpressureFlowcontrolvaluecross-sectionModelgeometryandtestdataprovidedcourtesyofVernayLaboratoriesResultsOutletFlowRatevs.InletPressureInletPressureOutletFlowRateCustomerFeedback“VernayhaslongbeenauserofABAQUSforthestructuralsidebuttheadditionofcoupledfluidanalysiswilleliminatewhathasbeenhistoricallythecutandtryapproachtoproductdevelopmentwhenfluidflowplaysasignificantrole.”滑翔机机翼的空气动力学研究•DG-1000gliderwing•Originallinear-elasticsimulationwasperformedbyZentrumfürStrukturtechnologien,ETHZürich•Exampleextendsthesimulationbyincludinglarge-displacementeffects•Simulationobjective–DetermineaerodynamicperformancefordifferentwingdesignsDG-1000滑翔机•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:–结构A,Rakeangle=-1°–结构B,Rakeangle=-5°–结构C,Rakeangle=-10°•机翼的扭转响应将随着前倾角变化（Rakeangle）–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-StrukturkopplungenmitMpCCI,”2004模型说明•ABAQUSmodel–~37,000S4/S3elements–Largegeometriceffects–Linear-elasticcompositeproperties•FLUENTmodel–~723,000tetrahedralcells–Incompressiblelaminarflow结果对比•Comparisonsbetweenarigidwing(CFD-onlyanalysis)andanelasticwing(FSIsimulation)•TheeffectofforwardrakeangleontheaerodynamicresponseisnotcapturedbyCFD-onlysimulations•AnincreaseinliftanddragforcesisobservedwithalargernegativerakeangleforFSIsimulations•ThestructuralbehaviorisimportantinordertoobtainaccuratepredictionoftheaerodynamicgliderresponseLift(elastic)Drag(elastic)Lift(rigid)Drag(rigid)Aerodynamicforcesat140km/hFlowFieldAnimation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•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预装配完成后膜片的应力状态主阀门运动状态控制阀门运动状态（二）流场压力、速度变化图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•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•计算状态：Ma=0.6，α=5°，H=0km•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•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•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•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•计算结果：0.00.20.40.60.81.0-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.8弹性刚体XCp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•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