第三方平台软件流固耦合mpcci介绍(中文版)案例.ppt

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1、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

2、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 absorbersElectronicsCooling of electronic componentsManufacturing of integrated circuitsRubberFlow limiters,sealsTire hydroplani

3、ng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 FSIWhat is MpCCI？MpCCI：Mesh-basedparallelCodeCouplingInterfaceMpCCI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MPCC

4、I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 S

5、erver）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 NumecaHow EASY is Mpcci:A Simple ProcessMpCCI The Standard of FSIHow 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

6、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 panelHow Easy is MpCCI 1.构造和运行独立的CFD和FEM模型2.使用MPC

7、CI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 panelHow 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

8、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/ViewerHow 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,

9、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 geometry530,000 tetrahedral cellsFLUENTABAQUS温度分布温度分布UncoupledanalysisABAQUS-FLUENTanalysisHotterCooler热应力热应力ABAQUS-FLUENTanalysis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

10、 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 040 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-sectionModelgeometryandtestdataprovidedcourtesyofVernayLabora

11、toriesResultsOutlet Flow Rate vs.Inlet PressureInlet PressureOutlet Flow RateCustomer Feedback“VernayhaslongbeenauserofABAQUSforthestructuralsidebuttheadditionofcoupledfluidanalysiswilleliminatewhathasbeenhistoricallythecutandtryapproachtoproductdevelopmentwhenfluidflowplaysasignificantrole.”滑翔机机翼的空

12、气动力学研究滑翔机机翼的空气动力学研究DG-1000 glider wingOriginal linear-elastic simulation was performed by Zentrum fr Strukturtechnologien,ETH Zrich Example extends the simulation by including large-displacement effects Simulation objectiveDetermine aerodynamic performance for different wing designs DG-1000 滑翔机滑翔机 大

13、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-StrukturkopplungenmitMpCCI,”2004模型说明模型说明ABAQ

14、US model37,000 S4/S3 elementsLarge geometric effectsLinear-elastic composite propertiesFLUENT model723,000 tetrahedral cellsIncompressible 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 re

15、sponse is not captured by CFD-only simulationsAn increase in lift and drag forces is observed with a larger negative rake angle for FSI simulationsThe structural behavior is important in order to obtain accurate prediction of the aerodynamic glider responseLift(elastic)Drag(elastic)Lift(rigid)Drag(r

16、igid)Aerodynamic forces at 140 km/hFlow 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

17、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，=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

18、，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

19、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.Marc

20、FSI=Flutter speed indexFFR=Flutter frequency ratioFF=Flutter 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

21、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

22、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MpC

23、CIMpCCI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

24、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。