基于MpCCI的Abaqus和Fluent流固耦合案例

1、CAE联盟论坛精品讲座系列基于MpCCI的Abaqus和Fluent流固耦合案例主讲人：mafuyin CAE联盟论坛总监摘要：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

2、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. 几何模型示意图压力出口P=0Pa；Tout=300K外壁面速度入口v=6m/s; Tin=600K内壁面(耦合面) 图2. 流固耦合传热分析模型示意图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

3、 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

4、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，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

5、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】

6、【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。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(7)

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。速度入口压力出口壁面图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。(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

8、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

9、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

10、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(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J

11、ob Manager，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。图12. 耦合参数设置示意图图13. 求解参数设置示意图(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从图15可以看出，虽然由于两个软件中网格密度不一样，导