MPCCI流固耦合培训

1、CDAJ-China Co., Ltd.l多物理场多物理场l典型的多物理场模拟典型的多物理场模拟l耦合分析的必要性耦合分析的必要性l耦合求解方案举例耦合求解方案举例lMpCCI 多物理场耦合解决方案多物理场耦合解决方案lMpCCI 简介简介l多物理场多物理场仿真：两个或两个以上物理场的耦合系统耦合系统耦合系统及其方程 是用来描述多个空间区域之间相互关联的变量的变化规律和相互影响的。这些变量常用于描述不同区域内的物理现象。1、任何一个区域内的物理现象脱离了其他物理场，便无法单独计算；2、任何一组应变量在不同级的微分方程中是无法消除的（显式）。From: Zienkiewicz & Taylor.

2、 The Finite Element Method, Volume 1, The Basis. Butterworth Heinemann, Oxford, 2000l耦合系统耦合系统物理场程序A: f (a,b,c,d) = 0物理场程序B: g (c,d,e,f) = 0l耦合域耦合域中两个系统共享的变量（c和d）称为耦合量耦合量。耦合域：两个区域中相互耦合的网格。物理场程序A物理场程序B耦合量 c耦合量 dl耦合域耦合域取决于耦合空间，分为： 面耦合面耦合 体耦合体耦合.三维面耦合两维面耦合两维体耦合三维体耦合l物理场物理场典型耦合域的物理场有： 固体力学-描述固体承受外力时的行为-使

3、用有限元法求解结构的变形，应力以及应变-使用结构力学的程序求解 流体力学-描述流体, 液体或气体的流动行为-通用的数值模拟方法是 Computation Fluid Dynamics (CFD)-使用流体力学的程序 (CFD-codes) ( 流体管路系统 )-与流体力学相同, 但不同的流体程序 噪音-研究声效应, 波在固体或流体中的传播-经常与振动分析耦合-物理意义上, 是流体力学或固体力学的分枝, 但不同的模拟方法l物理场物理场典型耦合域的物理场有： 固体换热-固体中的热传导取决与固体热传导-通常边界的温度以及热源项给定，于是温度分布就可以求解-通常包括固体力学程序 流体换热-流体换热主要

4、取决与热传导以及热对流-大部分的流体程序可以计算换热 辐射换热-固体或液体电磁辐射引发温度分布(e.g. 红外线)，-特别的模拟程序，与流体固体换热不同 电磁学-计算电场与磁场-计算电流以及电磁力l物理场物理场固体力学固体力学 方程“动量守衡”+ 材料方程 (弹性, 塑性, .) 物理量-u 位移- 应力张量- 密度-t 时间-(材料数据: 弹性模量, 泊松比, .) 边界条件-位移或应力022tubl物理场物理场固体力学固体力学 程序-ABAQUS-ANSYS-MSC.Marc-Permas MpCCI 物理变量-位移/ 位置 / 速度NDisplacement, NPosition, CG

5、Position, Velocity, VelocityMagnitude, .-应力 / 力 / 压力AbsPressure, OverPressure, BodyForce, LorentzForce, RelWallForce, WallForce, -密度Density-时间DeltaTime, PhysicalTimel物理场物理场流体力学流体力学 (CFD) 方程Navier-Stokes equations (basic form): + 气体状态方程, 湍流模型, . 物理- 密度t 时间q 热流矢量 (导热)-v 速度矢量 应力张量Sq 热源项-F 外力g 重力矢量H 总焓M

6、ass Conservation:Momentum Conservation:Energy Conservation: 0=v+tF+g+p=vv+tqS+q+v:+tp=Hv+tHl物理场物理场流体力学流体力学 (CFD) 程序-FLUENT-STAR-CD MpCCI 物理变量-密度Density-时间DeltaTime, PhysicalTime-位移/ 位置 / 速度NDisplacement, NPosition, CGPosition, Velocity, VelocityMagnitude, .-应力 / 力 / 压力AbsPressure, OverPressure, Body

7、Force, LorentzForce, RelWallForce, WallForce, -焓Enthalpy-热流HeatFlux-热源HeatSourcel物理场物理场噪音噪音 方程声波方程 物理变量-p 声压力-t 时间-c 音速pctp2222l物理场物理场噪音噪音 程序-ABAQUS-PERMAS MpCCI 物理变量-声压AcstPressure-时间DeltaTime, PhysicalTimel物理场物理场导热导热 (固体换热固体换热 ) 方程“Fouriers law” 物理变量-T 温度-Q 换热 (热流密度)-k 导热性-t 时间l物理场物理场导热导热 (固体换热固体换

8、热 ) 程序-ABAQUS-ANSYS-MSC.Marc-PERMAS-FLUX MpCCI 物理变量-温度 Temperature, FilmTemp, BoundaryTemp, WallTemp, TotalTemp, .-换热 HeatFlux, WallHeatFlux, Wall2HeatFlux-导热性 ThermCond*-时间 DeltaTime, PhysicalTimel物理场物理场流体流体-固体换热固体换热 方程“Newtons law of heat transfer” 物理变量-Q 热流- 换热系数-A 面积-Tw 壁面温度-Tf 膜温度fwTTA=Ql物理场物理场

9、流体换热流体换热 程序-FLUENT-STAR-CD MpCCI 物理变量-热流HeatFlux, WallHeatFlux, Wall2HeatFlux-换热系数WallHTCoeff, Wall2HTCoeff-壁面温度WallTemp, Wall2Temp-膜温度FilmTemp, Film2Templ物理场物理场表面间的辐射换热表面间的辐射换热 方程“Stefan-Boltzmann law” for grey radiators (without interacting gas) 物理变量-Q 净换热量- 反射系数- Stefan Boltzmann 常量-A 表面面积- 视角矢量-

10、T 温度241412121TTA=Ql物理场物理场热辐射热辐射 程序-RadTherm MpCCI 物理变量-净换热量WallHeatFlux -温度Temperature, TotalTemp, WallTemp, BoundaryTemp, FilmTemp, . l物理场物理场电磁学电磁学方程 “Maxwells equations” 物理变量-E 电场 冲电密度-B 磁场 电阻-J 电流密度 ( electric current)t 时间Gausss Law:0 EGausss Law for magnetism:0 BFaradays law of induction:t BEAmp

11、res Circuital Law:t EJB000Ohms law:EJl物理场物理场电磁学电磁学 程序-FLUX-ANSYS MpCCI 物理量-电场ElectricField -磁场MagneticField -冲电密度ChargeDensity -电流密度CurrentDensity -电阻ElectrRes* -时间DeltaTime, PhysicalTime l流固耦合流固耦合 (FSI)耦合算法 基于流固耦合的绝对压力 基于流固耦合的相对压力流体力学固体力学压力变形l热耦合热耦合固体热传导流体换热热流温度固体热传导流体换热膜温度换热系数温度l电磁电磁-热耦合热耦合电磁学导热性固

12、体热传导功耗焦耳热温度导电性l工业产品工业产品高性能化，小型高性能化，小型轻轻量化量化的发展的发展要求要求CAE利用目的多样性模拟精度,对可靠性的要求l我我们的们的周周围围存在存在着多样化的着多样化的物理物理场场流体，结构，热，电磁场，振动，噪声，物质传输，化学反应等多种物理现象（多物理场）复杂的结合在一起l单独物理场模拟单独物理场模拟忽略了相互作用简单叠加不能准确计算和表达 MpCCIMpCCISTAR-CD v4.02STAR-CD v4.02STAR-CD/ABAQUSSTAR-CD/ABAQUS耦合功能耦合功能STAR-CD v4.02STAR-CD v4.02应力分析功能应力分析功能

13、流固耦合流固耦合需要的软需要的软件件流流体体STAR-CDSTAR-CDSTAR-CDSTAR-CDSTAR-CDSTAR-CD固固体体ABAQUSABAQUSANSYSANSYSMSC.MarcMSC.MarcABAQUSABAQUS不要不要可做的耦合分可做的耦合分析析流体流体结构结构流体流体电磁场电磁场热结构热结构流体流体结构结构热热结构结构流流体体结构结构( (网格无移动网格无移动) )热热结构结构( (热应力热应力) )双方向双方向和和单方单方向向 双方向双方向和单和单方向方向单方向单方向 ( (和双和双方向方向) )双方向双方向必要必要的设定的设定 流体中，把数据交换面流体中，把数据

14、交换面 定义成定义成WallWall边界边界 流体中，进行可使用外部流体中，进行可使用外部程序的设定程序的设定 结构软件中，把数据交换结构软件中，把数据交换面面 定义成面单元或壳单元定义成面单元或壳单元 STAR-CDSTAR-CD中，把数据交换中，把数据交换面面 定义成定义成WallWall边界边界 ABAQUSABAQUS中，把数据交换面中，把数据交换面 定义成面单元定义成面单元 在固体壁面定义在固体壁面定义WallWall边边界条件界条件 用用Extended DataExtended Data定义定义材料特性等材料特性等l独立求解独立求解:两个模拟程序耦合, 各自求解一个物理场.使用绝

15、大多数耦合程序的方法和特点.每个程序需要单独的输入文件求解过程中两个模拟程序通过MpCCI彼此通信.lMpCCI 特点特点:图形化界面简化了耦合模拟的设置过程.模拟程序可以由MpCCI触发.数据传递直接有端口交换(TCP/IP).选择耦合区域以及耦合物理量非常简单.支持不同的耦合算法.其他的特点-取决与模拟程序lMpCCI (Mesh-based parallel Code Coupling Interface)就是基于网格的耦合界面并行程序，并行就是基于网格的耦合界面并行程序，并行的基础是的基础是MPI (Message Passing Interface) 。lMpCCI是由德国是由德国F

16、raunhofer Institute for Algorithms and Scientific Computing开发的。发开发的。发展历史为：展历史为：1996 开发Coupling Communication Library (CoCoLib)。2000 首次公开发布MpCCI version 1.02001-2002 MpCCI version 1.x2003 MpCCI version 2.02004 MpCCI version 3.0 最新版本是4.0.1lMpCCI 应用领域应用领域电子机械领域 打印机 磁流体核工业领域大气环境领域生物力学和医疗领域航空航天领域 机翼颤振，变形

17、 油箱晃振汽车领域 油箱振动 板金冲压分析的结果作为碰撞分析的条件使用重型机械领域 汽轮机 各种压力阀化工领域 搅拌器 金属流体lMpCCI 的用户的用户自问世以来，MpCCI已被众多的知名企业和研究机构采用：u汽车行业的Diamler-Chrysler、BMW、Ford-Werke、Duetz、TRW 等；u航空航天领域的Airbus、EADS（European Aeronautic Defence and Space Company）、DLR（German Aerospace Centre）、MTU（Aero Engines）等；u电子和能源行业的MOELLER、JAERI（Japan A

18、tomic Energy Research Institute）以及政府部门BMB+F等。由于SCAI在并行耦合计算领域深厚的研发基础和领先的学术地位，实际上MpCCI已经成为全球唯一的多学科耦合分析的工业标准，是客户耦合分析必备的平台和工具。 lMpCCI 支持的软件支持的软件lMpCCI 支持的平台支持的平台l软件架构软件架构l模拟过程概述模拟过程概述lMpCCI 应用实例应用实例q发动机舱热管理更快更优的邻域计算CFD surfaceNodes 552,003 / Elements 641,575FEM surfaceNodes 444,646 / Elements 888,664Map

19、ped Quantities4 thermal quantities Orphaned Nodesmodel geometries 40,000 to 80,000 orphaned nodesMpCCI 3.0.6MpCCI 4.0Neighbourhood 500 sec 10 secMapping 5 sec 0.5 seclMpCCI 应用实例应用实例q网格变形功能变形参数自动刷新对于大变形网格的自动或强制子步渐变边界节点浮动耗时一贯保持同一个数量级（但应网格变形的规模不同或用户自定义不同而有差异）lMpCCI 应用实例应用实例q后处理模块MpCCI Visualiser基于 Ceet

20、rons Technology： 耦合区域细部查看同步单视图及叠加视图通过端口协议的在线结果查看甚至是batch模式的计算lMpCCI 应用实例应用实例qMpCCI 与 RadTherm 耦合计算辐射换热问题lMpCCI 应用实例应用实例q3D CFD 仿真同1D Flowmaster 仿真的耦合计算Flowmasters 1D pipeline code is used for circuit simulationsProvides more realistic and dynamic inlet and outlet conditions for the 3D-CFDSystem model can be enhanced by integration of partial 3D models (e.g. for new components)Example: Aircraft Environmental Control System using 1D Cabin Air Distribution Sys