多物理场耦合计算技术的研究进展与发展趋势

1、1多物理场耦合技术的研究进展与发展趋势多物理场耦合技术的研究进展与发展趋势上海力学学会计算力学专业委员会上海力学学会计算力学专业委员会同济大学航空航天与力学学院同济大学航空航天与力学学院胡振东胡振东2009年年11月月17日日2内容提要内容提要一、数值模拟技术及其应用一、数值模拟技术及其应用二、多物理场耦合模拟技术研究进展二、多物理场耦合模拟技术研究进展 三、多物理场耦合模拟技术面临的挑战三、多物理场耦合模拟技术面临的挑战四、多物理场耦合模拟技术发展趋势四、多物理场耦合模拟技术发展趋势五、结语五、结语 3一、一、数值模拟技术及其应用数值模拟技术及其应用o 数值计算在社会发展、经济建设和科学探索

2、方面数值计算在社会发展、经济建设和科学探索方面取得巨大成功在于其强大的预测能力和对复杂物取得巨大成功在于其强大的预测能力和对复杂物理系统的模拟理系统的模拟; ;o 数学模型及其离散、计算机算法及实现是数值模数学模型及其离散、计算机算法及实现是数值模拟技术的核心；拟技术的核心；o 计算分析软件交易市场兴旺，本身市值数十亿美计算分析软件交易市场兴旺，本身市值数十亿美元，附加值数万亿美元元，附加值数万亿美元 ; ;除产品开发外还用于医疗、除产品开发外还用于医疗、国防、及试验研究；国防、及试验研究；o 数值计算在认识自然现象和预测物理事件方面同数值计算在认识自然现象和预测物理事件方面同样有重要应用；如

3、大气变化、海流、河水表面流、样有重要应用；如大气变化、海流、河水表面流、地下石油储备、冰山和大陆板块运动等。地下石油储备、冰山和大陆板块运动等。4可在毫秒量级详细研究车辆结构和乘客的安全性，优化设计，减少事故。可在毫秒量级详细研究车辆结构和乘客的安全性，优化设计，减少事故。 例：汽车碰撞数值模拟例：汽车碰撞数值模拟5 例：数值风洞模拟例：数值风洞模拟6 例：切除动脉瘤手术数值模拟例：切除动脉瘤手术数值模拟用流体力学和流固耦合理论模拟手术过程血液流动，选择最佳手术方案。用流体力学和流固耦合理论模拟手术过程血液流动，选择最佳手术方案。7 例：地下石油流动、油气、水流过复杂多孔介质数值模拟例：地下石

4、油流动、油气、水流过复杂多孔介质数值模拟工程师解决无法搭建实验条件的情况下，数值模拟技术的优势得以充分体现出来。8二、二、多物理场耦合模拟技术研究进展多物理场耦合模拟技术研究进展 o 早期的数值模拟主要关注于某个专业领域，比如早期的数值模拟主要关注于某个专业领域，比如应力或疲劳，这与当时计算机的计算能力相对应，应力或疲劳，这与当时计算机的计算能力相对应，许多较复杂问题的数值模拟不可能完成；许多较复杂问题的数值模拟不可能完成；o 物理现象都不是单独存在的，常见的耦合问题有物理现象都不是单独存在的，常见的耦合问题有流流- -固耦合、电固耦合、电- -热耦合、热热耦合、热- -结构耦合、热结构耦合、

5、热- -电电- -结构耦合、声结构耦合、声- -结构耦合、流体结构耦合、流体- -反应耦合、流体反应耦合、流体- -热耦合等；热耦合等；o 计算机的发展为我们提供了更灵巧、更简洁而又计算机的发展为我们提供了更灵巧、更简洁而又更快速的算法，强劲的硬件配置，使得对多物理更快速的算法，强劲的硬件配置，使得对多物理场的数值模拟成为可能；场的数值模拟成为可能；9二、二、多物理场耦合模拟技术研究进展多物理场耦合模拟技术研究进展 o 各种物理场现象都可以用（偏）微分方程来描述，各种物理场现象都可以用（偏）微分方程来描述，如热、电、力，多物理场的本质是（偏）微分方程如热、电、力，多物理场的本质是（偏）微分方程

6、组；组；o 数值模拟的本质是将（偏）微分方程组离散成代数数值模拟的本质是将（偏）微分方程组离散成代数方程组，常见的方法有限差分方法（方程组，常见的方法有限差分方法（FDMFDM）、有限）、有限元方法（元方法（FEMFEM）、有限体积法（）、有限体积法（FVMFVM）；）；o 在实用性、适用性以及扩展性方面，在实用性、适用性以及扩展性方面，FEMFEM方法具有方法具有更大的优势，有限元的未来是多物理场耦合分析；更大的优势，有限元的未来是多物理场耦合分析；10压电扩音器（Piezoacoustic transducer）可以将电流转换为声学压力场，或者反过来，将声场转换为电流场。这种装置一般用在空

7、气或者液体中的声源装置上。仿真研究了在施加一个幅值200V，震荡频率为300 KHz的电流后，晶体产生的声波传播。 例：压电扩音器模拟例：压电扩音器模拟11 例：子弹穿甲过程模拟例：子弹穿甲过程模拟在毫秒尺度研究穿在毫秒尺度研究穿甲过程复杂物理行甲过程复杂物理行为，包括相变、融为，包括相变、融化、散裂、飞片和化、散裂、飞片和温度。温度。12 例：飞机高空气流温度场模拟例：飞机高空气流温度场模拟13 例：生化反应污染扩散模拟例：生化反应污染扩散模拟14 例：星体爆炸假说数值模拟例：星体爆炸假说数值模拟基于气动力学和可压缩多相介质流动理论模拟星体爆炸时的密度和温度分布。基于气动力学和可压缩多相介质

8、流动理论模拟星体爆炸时的密度和温度分布。15例：摩擦搅拌焊接（例：摩擦搅拌焊接（FSWFSW）模拟）模拟 在这个摩擦搅拌焊接的模拟过程中，将三维的传热分析和二维轴对称的涡流模拟耦合起来。传热分析计算在刀具表面施加热流密度后，结构的热分布。可以提取出刀具的位移，热边界条件，以及焊接处材料的热学属性。接下来将刀具表面处的三维热分布映射到二维模型上。耦合起来的模型就可以计算在加工过程中热和流体之间的相互作用。 16例：充气天线展开过程模拟例：充气天线展开过程模拟 17例：火星探测器着陆气囊仿真研究及优化设计例：火星探测器着陆气囊仿真研究及优化设计1819三、三、多物理场耦合模拟技术面临的挑战多物理场

9、耦合模拟技术面临的挑战o 计算方法滞后于计算机硬件，高性能计算机所能计算方法滞后于计算机硬件，高性能计算机所能提供的计算能力并没有得到充分发挥；提供的计算能力并没有得到充分发挥；o 计算结果的可靠性问题；计算模拟精度不够，很计算结果的可靠性问题；计算模拟精度不够，很多物理现象只能在定性层面上描述。多物理现象只能在定性层面上描述。o 个人知识面有限，缺乏对其他学科深层次的了解；个人知识面有限，缺乏对其他学科深层次的了解；即使本学科也面临数学模型的更新问题；即使本学科也面临数学模型的更新问题；o 非确定性问题的存在与非确定性方法。非确定性问题的存在与非确定性方法。20四、四、多物理场耦合模拟技术发

10、展趋势多物理场耦合模拟技术发展趋势o计算方法与硬件支撑的耦合；包括三维成像、切片扫描、可视化、计算方法与硬件支撑的耦合；包括三维成像、切片扫描、可视化、测试及实验。测试及实验。 o微观与宏观的耦合；如量子力学、分子动力学、材料科学、生物微观与宏观的耦合；如量子力学、分子动力学、材料科学、生物医学和生物系统，多尺度耦合。医学和生物系统，多尺度耦合。 o虚拟设计；目前离实用还有差距，很多多物理现象不能模拟，如虚拟设计；目前离实用还有差距，很多多物理现象不能模拟，如燃烧、相变、断裂、散裂、尺度悬殊和随机行为。燃烧、相变、断裂、散裂、尺度悬殊和随机行为。o模型选择、模型的误差估计、模型的自适应性；模型

11、选择、模型的误差估计、模型的自适应性；o控制不确定性；现有方法只是理想化随机模型，仅分析上限和下控制不确定性；现有方法只是理想化随机模型，仅分析上限和下限，未来需要根据给定信息确定最大应力等物理量。限，未来需要根据给定信息确定最大应力等物理量。o并行算法与协同计算；并行算法与协同计算；21五、五、真正的多物理场耦合真正的多物理场耦合o 多物理场的间接耦合与直接耦合的区别（多物理场的间接耦合与直接耦合的区别（One Way One Way Couple and Two Ways CoupleCouple and Two Ways Couple）；）；o 传统实现多物理场耦合的方法大多属于间接耦合

12、（传统实现多物理场耦合的方法大多属于间接耦合（One One Way CoupleWay Couple）；）；o 不同的算法、不同的软件平台下，多个物理场之间数据不同的算法、不同的软件平台下，多个物理场之间数据传输出现困难，导致间接耦合计算结果不准确；传输出现困难，导致间接耦合计算结果不准确；o 联立偏微分方程组（联立偏微分方程组（PDEsPDEs）实现真正的多物理场耦合，）实现真正的多物理场耦合，以及任意个物理场的耦合。以及任意个物理场的耦合。22六、六、结语结语o 数值模拟已成为推动现代科学技术发展的重要工具。对数值模拟已成为推动现代科学技术发展的重要工具。对提升企业争能力、维护国家安全、认识自然界各种物理提升企业争能力、维护国家安全、认识自然界各种物理现象和生物系统有重要意义；现象和生物系统有