第三方平台软件流固耦合mpcci介绍中文案例

第三方平台软件流固耦合mpcci介绍中文案例第1页/共69页目录流固耦合：现状和挑战MpCCI软件流固耦合方向的解决方案第2页/共69页IntroductiontoFSI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第3页/共69页TheTacomaBridgeTacomaNarrowsBridge,1940第4页/共69页应用的对象航空航天/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Hydraulicenginemounts,discbrakesystem,ABS,shockabsorbersElectronicsCoolingofelectroniccomponentsManufacturingofintegratedcircuitsRubberFlowlimiters,sealsTirehydroplaning第5页/共69页流固耦合－－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第6页/共69页

MpCCI

TheStandardofFSI第7页/共69页WhatisMpCCI？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MPCCI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第8页/共69页以MpCCI为基础的流固耦合方案的架构第9页/共69页MpCCI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第10页/共69页MpCCI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APIToolkit，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（MpCCIServer）传递，极大的减轻了工程师的工作量第11页/共69页MpCCI所支持的仿真代码CodeAPIResearchCodes,

InhouseCodesFLUXPERMASMSC.MARCInpreparation:ESI-ACE+STAR-CCM+MSC.NastranNumeca第12页/共69页HowEASYisMpcci:ASimpleProcessMpCCI－TheStandardofFSI

第13页/共69页HowEasywecanuseMpCCI

构造和运行独立的ABAQUS和FLUENT模型使用MPCCI的用户界面耦合独立的ABAQUS和FLUENT模型从MPCCI图形用户界面运行耦合仿真对耦合结果的考察和后处理第14页/共69页建立ABAQUS和FLUENT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第15页/共69页HowEasyisMpCCI

构造和运行独立的CFD和FEM模型使用MPCCI的用户界面耦合独立的CFD和FEM模型从MPCCI图形用户界面运行耦合仿真对耦合结果的考察和后处理第16页/共69页耦合独立的CFD和FEM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MpCCIGUICouplingpanel第17页/共69页HowEasyisMpCCI

构造和运行独立的CFD和FEM模型使用MPCCI的用户界面耦合独立的CFD和FEM模型从MPCCI图形用户界面运行耦合仿真对耦合结果的考察和后处理第18页/共69页从MPCCI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MpCCIGUIGopanel第19页/共69页HowEasyisMpCCI

构造和运行独立的CFD和FEM模型使用MPCCI的用户界面耦合独立的CFD和FEM模型从MPCCI图形用户界面运行耦合仿真对耦合结果的后处理第20页/共69页流固耦合的后处理使用各个耦合软件的后处理功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Interfaceloadsshownwithacontourplot(left)andvectorplot(right)inABAQUS/Viewer第21页/共69页HowWIDELYusedisMpcci:ExamplesMpCCI－TheStandardofFSI

第22页/共69页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第23页/共69页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,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第24页/共69页气缸盖模型~290,000DC3D4elements(heattransferanalysis)Castironwaterflowgasexhaust第25页/共69页流体和固体模型Complexgeometry530,000tetrahedralcellsFLUENTABAQUS第26页/共69页温度分布UncoupledanalysisABAQUS-FLUENTanalysisHotterCooler第27页/共69页热应力ABAQUS-FLUENTanalysis第28页/共69页使用MpCCI架构对冷却叶片的模拟几何非常复杂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第29页/共69页叶片冷却部分计算结果第30页/共69页Example: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0–40psi要求在操作压力范围提供恒定的流量输出实验验证UnderhighpressureUnderlowpressureFlowcontrolvaluecross-sectionModelgeometryandtestdataprovidedcourtesyofVernayLaboratories第31页/共69页Results第32页/共69页OutletFlowRatevs.InletPressureInletPressureOutletFlowRate第33页/共69页CustomerFeedback

“VernayhaslongbeenauserofABAQUSforthestructuralsidebuttheadditionofcoupledfluidanalysiswilleliminatewhathasbeenhistorically

thecutandtryapproachtoproductdevelopmentwhenfluidflowplaysasignificantrole.”

第34页/共69页滑翔机机翼的空气动力学研究DG-1000gliderwingOriginallinear-elasticsimulationwasperformedbyZentrumfürStrukturtechnologien,ETHZürichExampleextendsthesimulationbyincludinglarge-displacementeffects

SimulationobjectiveDetermineaerodynamicperformancefordifferentwingdesigns

第35页/共69页DG-1000滑翔机

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:结构A,Rakeangle=-1°结构B,Rakeangle=-5°结构C,Rakeangle=-10°机翼的扭转响应将随着前倾角变化（Rakeangle）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第36页/共69页模型说明ABAQUSmodel~37,000S4/S3elementsLargegeometriceffectsLinear-elasticcompositepropertiesFLUENTmodel~723,000tetrahedralcellsIncompressiblelaminarflow

第37页/共69页结果对比Comparisonsbetweenarigidwing(CFD-onlyanalysis)andanelasticwing(FSIsimulation)TheeffectofforwardrakeangleontheaerodynamicresponseisnotcapturedbyCFD-onlysimulationsAnincreaseinliftanddragforcesisobservedwithalargernegativerakeangleforFSIsimulationsThestructuralbehaviorisimportantinordertoobtainaccuratepredictionoftheaerodynamicgliderresponseLift(elastic)Drag(elastic)Lift(rigid)Drag(rigid)Aerodynamicforcesat140km/h第38页/共69页FlowFieldAnimation第39页/共69页 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

第40页/共69页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第41页/共69页流体和固体模型第42页/共69页预装配完成后膜片的应力状态第43页/共69页主阀门运动状态第44页/共69页控制阀门运动状态（二）第45页/共69页流场压力、速度变化图第46页/共69页主阀门运动曲线第47页/共69页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：第48页/共69页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，α=5°，H=0km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，有限元网格为30万。

第49页/共69页计算结果：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第50页/共69页计算结果：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第51页/共69页计算结果：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第52页/共69页计算结果：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第53页/共69页计算结果：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第54页/共69页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第55页/共69页Example:FlutterAnalysisofWing©TeknoTasarim,TurkeySimulationoftheflutteringofaAgardwing445.6HbyTeknoTasarimInc.,Turkey(seeproceedings9thMpCCIUserForum):FluentMSC.MarcFSI=FlutterspeedindexFFR=FlutterfrequencyratioFF=Flutterfrequency第56页/共69页Example:1D–3DFlowAnalysis

©Flowmaster,EnglandSimulationsof1D–3Dflowproblems:FluentFlowmasterY-junctionPlanned:Compartmentcomfort第57页/共69页WHY

MpCCI?MpCCI－TheStandardofFSI

第58页/共69页基于MpCCI的流固耦合解决方案可以求解二维流固耦合问题三维问题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第59页/共69页基于MpCCI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。。。第60页/共69页基于MpCCI的流固耦合解决方案能够解决大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第61页/共69页基于MpCCI的流固耦合解决方案能够解决高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