基于MpCCI的Abaqus和Fluent流固耦合案例

1 基于 MpCCI 的 Abaqus 和 Fluent 流固耦合案例 mafuyin 摘要 通过 MpCCI 流固耦合接口程序 对某薄壁管道流动中的传热过程进行了 Abaqus 和 Fluent 相结合的流固耦合仿真分析 信息介绍了从建模 设置到求解 计算和后处理的全过程 对相关研究人员具有参考意义 1 分析模型 用三维建模软件 solidworks 建立了一个管径为 1m 的弯管 结构尺寸如图 1a 所示 管的结构如图 1b 所示 流体的模型如图 1c 所示 值得注意的是 由于拓 扑特征的原因 这样的管壁模型无法通过对圆环扫略直接生成 而需先通过对大 圆的扫略生成实心的模型 类似于流体模型 然后进行抽壳得到管壁的模型 用 同样的方法对大圆半径减去管壁厚度的圆进行扫略得到流体模型 a 尺寸关系 b 管壁结构 c 流体模型 图 1 几何模型示意图 图 2 流固耦合传热分析模型示意图 内壁面内壁面 耦合面耦合面 速度入口速度入口 v 6m s Tin 600K 外壁面外壁面 压力出口压力出口 P 0Pa Tout 300K 2 由于管壁结构和流体的热学行为不同 传热系数等都不一样 所以属于典型 的流固耦合传热问题 热学模型如图 2 所示 即管的一端为流体速度入口 一端 为压力出口 给定流体外壁面一个初始温度 600K 流体入口速度为 6m s 温度 为 600K 出口相对大气压力为 0Pa 出口温度为 300K 需要求解流体和管壁的 温度场分布情况 2 流体模型 将图 1c 的流体模型以 Step 格式导入 Fluent 软件通常使用的前处理器 Gambit 中 如图 3a 所示 设置求解器为 然后划分体网格 网格尺寸为 100mm 类型为六面体单元 一共生成 4895 个体单元 网格如图 3b 所示 a 导入 Gambit 软件中的流体模型 b 流场的网格模型 图 3 流体模型及网格示意图 进行网格划分后 需定义边界条件 在 Gambit 软件中先分别定义速度入口 VELOCITY INLET 压力出口 PRESSURE OUTLET 和壁面 Wall 三组边界条 件 具体参数设置在 Fluent 软件中进行 然后定义流体属性 名称定义为 air 类型为 Fluid 这些定义的目的是能够在 Fluent 软件中识别出这些特征 具体类 型和参数都可以在 Fluent 软件中进行设置和修改 定义完后点击 Export 选 择 Mesh 选择路径和文件名称并进行输出 打开 Fluent6 3 26 或以上的版本 选择 3D 求解器 点击 File Read Case 然后选择 Gambit 中输出的 msh 文件 即可将网格文件读入 Fluent 软件中 读入模型后 进行求解参数和条件的设置 1 模型缩放 为了便于分析结果数据特征 统一采用国际单位制进行仿真 3 点击 Grid Scale 弹出模型缩放对话框 在单位转换下将原有的 m 改为 mm 模型自动缩小 1000 倍 然后点击 Scale 结果如图 4 所示 需要说明的 是因为网格的生成尺寸是按照 mm 生成的 所以这里需要将网格尺寸缩放为 m 图 4 模型缩放示意图 2 网格平滑处理 为了保证网格节点之间的连接和过度关系良好 Fluent 提供了网格 smooth 功能 可以通过网格节点调整来调整整体网格 点击 Grid Smooth Swap 然后接受默认参数 先后点击 Smooth 和 Swap 直至 出现 Number faces swapped 0 和 Number faces visited 0 为止 3 网格检查 为了保证计算能顺利进行和保证计算结果的可靠性 需对网 格质量进行检查 如果存在负体积网格则计算无法进行 点击 Grid Check 观察 minimum volume 是否为负 如果不是负值 则结束检查 如果是负值 需进行重新划分网格直至不出现负体积为止 4 定义求解器 点击 Define Models Solver 弹出求解器对话 框 接受默认设置 即压力相依 隐式 3D 稳态 完全分析模型 如图 5 所 示 4 图 5 求解器设置示意图 5 启动能量分析模型 传热分析需启动能量分析模型 点击 Define Models Energy 勾选能量准则 6 设置分析模型 选择 k epsilon 模型 点击 Define Models Viscous 然后按照图 6 进行设置 图 6 求解模型设置 5 7 定义材料属性 定义为空气即可 点击 Define Materials 接受 默认设置 然后点击 8 定义边界条件 按照在 Gambit 中设置的面 定义速度进口边界条件 压 力出口边界条件和壁面边界条件 Define Boundary Conditions 分别按 照图 7 所示进行设置 图 7 边界条件设置 9 求解参数控制 在求解时需设置求解控制参数 点击 Solve Controls Solution 打开设置窗口 接受默认设置即可 速度入口速度入口 压力出口压力出口 壁面壁面 6 10 保存文件 将模型文件进行保存 准备进行计算 点击 File Write Case 保存模型 3 结构模型 采用达索公司的 Abaqus 软件进行结构的计算 首先导入图 1b 所示的管道模 型 导入时将模型缩小 1000 倍 即缩放到 m 采用国际单位制进行仿真 导入 模型后需进行材料属性 接触条件 分析步等设置 以及需要划分网格 具体过 程和步骤如下 1 定义耦合面 由于需要进行流固耦合分析 所以要事先设置好耦合面 才 能进行流固耦合的相关设置 点击 Tools Surface Create 在屏幕 下方选择区域处将 individually 改为 by angle 并接受默认角度为 20 然 后点击模型的内壁面 所有壁面将会被选中 然后点击 Done 即可 2 定义材料属性 进入 Property 模块 点击按钮 弹出材料属性对话 框 输入材料名称为 Steel 点击 General Density 输入密度为 6800Kg m3 点击 Mechanical Elasticity Elastic 输入杨氏模量为 206e9Pa 泊 松比为 0 3 点击 Mechanical Expansion 输入扩散系数为 1 38e 5 点 击 Thermal Conductivity 定义导热系数为 55 点击 Thermal Specific Heat 输入比热为 446 然后定义个均匀实体截面属性 并将所定义的材料属 性赋值给模型 3 模型装配 进入 Assembly 模块 将模型进行装配 因为后面的设置都 是针对装配体的 所有虽然是单一部件 也要进行装配 4 分析步 定义稳态传热分析步 设置总分析时间为 20s 增量步为 20000 步 即步长为 0 001 如图 8 所示 图 8 分析步设置示意图 7 5 定义接触属性 进入 Interaction 模块 点击 选择 Surface film condition 点击 Continue 选择耦合面以外的三个面 设置如图 9 所示的接 触参数 图 9 接触属性设置示意图 6 网格划分 设置种子点的单元尺寸为 0 025m 划分六面体单元 一共得 到 23932 个单元 如图 10 所示 图 10 网格划分示意图 7 生成计算文件 进入 Job 模块 定义一共 job 然后点击 Job Manager 8 点击 Write Input 就可以生成计算所需的 inp 文件 4 耦合求解 在得到流体求解模型和结构模型后 可通过 MpCCI 接口进行流固耦合仿真 计算 具体过程和步骤如下 1 开启 Abaqus Fluent 和 MpCCI 三个软件的许可服务 如果不是自动开启的 话 然后打开 MpCCI 软件 配置为 Fluent 与 Abaqus 的耦合 并分别读入上文 中得到的两个模型文件 如图 11 所示 图 11 求解器耦合示意图 2 设置耦合参数 点击 Next 进入耦合参数设置界面 将流体的 Wall 和 结构的内壁面设置为耦合面 耦合量为 FilmTemp WallHTCoeff 和 WallTemp 设置情况如图 12 所示 3 设置求解参数 连续点击两次 Next 进入求解参数设置界面 按照图 13 进行设置 9 图 12 耦合参数设置示意图 图 13 求解参数设置示意图 10 4 启动求解 从左到右先后点击三个 Start 即先后启动 MpCCI Fluent 和 Abaqus 三个程序 出现图 14 所示界面后在 Fluent 中对流场进行初始化并开 始迭代计算 图 14 计算准备就绪示意图 5 计算结果 通过进行两个求解器间的数据交换 反复迭代 直至两者之间达到一个稳定 的状态后求解收敛 停止计算 计算结果如图 15 所示 图 15 耦合壁面能量分布示意图 11 从图 15 可以看出 虽然由于两个软件中网格密度不一样 导致了