MpCCI流固耦合技术及其工程应用

流固耦合技术及其工程应用北京海基科技有限责任公司1．流固耦合技术 (3)1.1 MpCCI——流固耦合的标准 (3)1.2 MpCCI 3.0 的核心特征 (3)1.2.1 MpCCI数据的内部传递 (4)1.2.2 MpCCI代码适配器 (4)1.2.3 MpCCI 代码的模型扫描器 (5)1.2.4 MpCCI代码启动和停止脚本 (5)1.2.5 MpCCI耦合管理器 (5)2. 基于MPCCI的流固耦合方案的技术优势 (6)3 流固耦合的成功案例 (8)3.1 节流阀流固耦合 (8)3.2 滑翔机机翼的空气动力学研究 (10)3.3 发动机机盖冷却分析 (11)1．流固耦合技术单学科的模拟软件在经过几十年发展，已硕果累累，发展了众多的单学科模拟软件。

然而实际的工程问题是多学科的，一个实际的结构往往受到的载荷是由流体施加的，同时流场的边界往往也是有变形和运动。

过去由于缺乏有效的处理耦合的手段，工程师们不得不对这样的耦合问题进行分离处理。

随着问题的复杂，多学科模拟在科研和工程界受到越来越多的重视，如流固耦合，热耦合等问题都是多学科耦合模拟的重要问题。

通常情况下，单学科软件（不论是结构软件还是流体软件）都无法系统的描述实际环境的所有特性，也不能全面的提供给工程师们所关心的一些重要耦合物理特性。

如何耦合单学科的分析软件，成为众多工程师们关心的焦点。

1.1 MpCCI——流固耦合的标准MpCCI（Mesh-based parallel Code Coupling Interface）是由法兰克福SCAI研究中心开发出来的。

其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。

MpCCI接口软件可以实现不同模拟软件耦合区域的网格量的数据交换。

由于耦合区域网格通常属于不同模拟程序，一般而言这些网格是不匹配的，MpCCI在实现网格值的数据交换前，先执行节点值之间的插值。

MpCCI可以交换不同耦合代码之间各种值；比如说可以是能量，动量，材料性质，网格定义量等。

复杂的数据交换细节可以通过简单的MpCCI接口很容易的实现。

很多商业的CFD/FEM程序中，用户可以通过增加边界条件或者物理模型来接近结构的内部值。

MpCCI用这些性能来改编代码，计算的时候，每运行一个时间步调用一次用户子程序。

这个新的方法是用API（应用软件程序界面）来建立信息交换，这种方法的主要优点不需要任何MpCCI的激活代码，MpCCI3.0的目的是提供给工程师一个简单的操作平台来实现流固耦合，而且这个平台支持一系列的大型商业化软件。

1.2 MpCCI 3.0 的核心特征MpCCI3.0可以通过不同商业软件的适配器直接进行不同软件之间的数据交换。

与MpCCI1.X/2.0的源程序代码的子程序调用相比，适配器利用了商业软件现存的程序设计界面（APIs）。

这个技术允许进行MpCCI的在用户机器上简单安装，而不需要改变其他三方的商业软件的标准安装。

MpCCI3.0环境由以下几部分组成：●MpCCI代码适配器：它可以使得MpCCI适合多种商业软件，通过他们的标准代码API而不需对原商业软件作任何改变。

●MpCCI用户接口：MpCCI用户接口提供给用户一种简便的定义耦合的方式。

●MpCCI耦合服务器：它是MpCCI系统的核心。

环境的操作，商业程序之间的信息交流，邻近搜索，插值计算等是系统核心的主要部分。

1.2.1 MpCCI数据的内部传递MpCCI3.0通过不同交流层来建立内部组成的相互作用：●MpCCI GUI扫描耦合代码的模型文件通过启动代码的特殊的扫描脚本，扫描的信息然后返还给MpCCI GUI。

●Perl脚本被用来启动模拟软件，这些脚本通过rsh/ssh来调用。

●代码适配器和MpCCI耦合服务器之间的耦合交流应用了TCP/IP协议。

●MpCCI服务器用信息传输层MPI作为内部交流层。

1.2.2 MpCCI代码适配器在MpCCI3.0系统中，代码适配器建立了MpCCI耦合服务器和其它商业软件的直接连接。

他们结合了商业代码的程序开发界面和商业软件（不需要做任何的修改）。

一个代码适配器相当于一个库，它可以和其它代码之间实现动态或静态的连接。

任何代码适配器由两部分组成既耦合管理器和代码驱动。

1.2.3 MpCCI 代码的模型扫描器每个单独的耦合代码提供了一个模型文件，其中包括，模型的几何信息，材料信息，网格信息等其他一些参数。

这些输入文件首先要被扫描一遍。

几何区域（分割线，表面，区域）将会被提取并通过GUI显示给用户。

从可选择的区域名中，用户可以选择那些他们认为需要进行耦合的区域。

1.2.4 MpCCI代码启动和停止脚本对每个代码，MpCCI对应特殊的启动和停止脚本。

启动脚本在代码启动之前提供了完善协调的系统环境。

停止脚本考虑到了完备的停机，如果用户想退出耦合进程，必须在代码终止之前退出。

1.2.5 MpCCI耦合管理器代码启动以后，代码适配器中的MpCCI耦合管理器将被初始化。

MpCCI GUI中定义的耦合区域的信息将从MpCCI配置文件传到耦合管理器中。

1.2.6 MpCCI 用户界面MpCCI已经成功的设计了多种商业软件之间的接口。

各种代码的界面是完全不同的，MpCCI本身提供了独特的与其他代码无关的方式来指定所有的耦合相对参数。

MpCCI GUI 允许在网络上配置和启动耦合程序。

GUI指导用户通过一些基本的配置步来实行耦合模拟：●用户首先选择耦合软件，然后指定相应的包含模型参数的输入文件●下一步是选择耦合区域和耦合量●另外定义耦合参数，比如：临近搜索配置，网格质量检测，输出参数设置等●最后，工作可以在网络上启动，MpCCI服务器首先启动，然后耦合软件才被激活。

2. 基于MPCCI的流固耦合方案的技术优势采用固体结构软件ABAQUS6.5和流体分析软件FLUENT结合MpCCI接口来模拟多学科耦合问题。

ABAQUS 是一套功能强大的基于有限元方法的工程模拟软件，它可以解决从相对简单的线性分析到极富挑战性的非线性模拟等各种问题。

ABAQUS具备十分丰富的单元库，可以模拟任意实际形状。

ABAQUS也具有相当丰富的材料模型库，可以模拟大多数典型工程材料的性能，包括金属、橡胶、聚合物、复合材料、钢筋混凝土、可压缩的弹性泡沫以及地质材料（例如土壤和岩石）等。

最为特出的是ABAQUS的非线性力学（几何，材料，接触）分析工能是具有世界领先水平的。

在非线性分析中，ABAQUS能自动选择合适的载荷增量和收敛准则，ABAQUS不仅能够自动选择这些参数值，而且在分析过程也能不断调整这些参数值，以确保获得精确的解答。

用户几乎不必定以任何参数就能控制问题的数值求解过程。

正因为这么强大的非线性功能，如此便利的控制计算收敛，所以我们选择ABAQUS软件，在流固耦合中，一般固体都伴有较大的变形，同时可能结合着很大的非线性，这样选择ABAQUS是十分明智的。

FLUENT是世界领先的CFD软件，FLUENT软件的动网格技术是支持刚体的大位移和结构体的大变形，这为流固耦合打下了一个坚实的技术基础。

在ABAQUS结构软件中，求解的核心是节点位移，只要求解出节点位移，就能很方便的求解出单元内部的应力、应变。

所以在流固耦合计算过程中，我们通过ABAQUS计算流场的边界位移，即在耦合区域，我们让ABAQUS提供节点位移，然后由FLUENT提供节点力。

耦合计算开始初始化后，FLUENT计算出耦合区域作用在固体边界上的力，以节点量的形式传给MpCCI，MpCCI针对不同的流固耦合区域的网格，将节点量进行插值，然后传给ABAQUS，ABAQUS得到外加载荷，计算结构的动态响应，以及耦合区域作用在立场上的新的边界条件，然后再通过MpCCI插值后传给FLUENT，如此循环。

在整个耦合过程中，固体软件提供节点位移，流体软件提供节点力。

双方在耦合区域部分的网格可以是不匹配的，而之间的转换是通过的MpCCI的插值来实现。

这种策略对客户来说具有以下优势：●采用客户机\服务器体系结构，客户机和服务器的通信采用TCP/IP协议，使得流固耦合可以运行于任何的主流计算机平台，以及网络环境●客户端代码本身的并行仍然采用原有的并行机制，如FLUENT、ABAQUS仍然采用各自的并行方式，与MPCCI无关。

●客户端程序之间可以串行执行，也可以并性执行。

如FLUENT和ABAQUS同时求解，在完成一个时间步后交换数据，然后FLUENT和ABAQUS再同时求解，如此循环。

这将极大提高大负荷问题的解算效率。

●第一次实现了CFD和结构的市场和技术领导者之间的耦合●问题的设置相互独立，将极大提高流固耦合过程的易用性●使用熟悉的软件相对独立的设置流体和固体问题●使用熟悉的、专业的算法来独立地求解每一个域的问题●采用基于工业标准的耦合接口软件实现进程间的通信和影射3 流固耦合的成功案例3.1 节流阀流固耦合阀耐实验有限公司的流体流动阀模拟（几何模型和试验值由Vernay Laboratories提供）世界最领先的阀门公司V ernay公司，应用MpCCI结合ABAQUS和FLUENT对气阀进行优化设计。

设计目标为：在定制的工程阀上,要求在变化的入口压力条件下得到恒定的流量输出。

气阀的工作原理：在变压的入口，气流作用在阀门口的超弹性材料上，随着入口压力的增大，超弹性材料，产生很大的变形，从而逐渐缩小入口口径，这样保证通过气阀的流量是一定的。

示意如下图：实际几何结构和模型如下所示Under high pressureUnder low pressureFlow control value cross-section（a ） （b ）气阀耦合计算结构和模型 固体部分材料是超弹性材料，变形存在很大的非线性，采用ABAQUS 作为流固耦合的固体耦合软件，采用C3D8RH 杂交减积分单元，单元数大约是22000个。

橡胶气阀部分和 外边界采用有限滑移摩擦（Finite-sliding frictional contact ）。

流体部分采用FLUENT 软件作为耦合的流体计算软件，采用标准的k-ε 模型，四面体单元，单元数大约在233000个单元。

通过试验值和数值模拟值得比较可以，MpCCI 集合ABAQUS 和FLUENT 有很好的预测效果。

为此，得到阀耐公司的高度评价， “V ernay 是ABAQUS 的长期客户。

当流体流动扮演重要作用时与流体的耦合分析将排除传统的反复切割实验的方法来开发新产品”。

Inlet OutletFlow3.2 滑翔机机翼的空气动力学研究采用的模型是DG-1000滑翔机机翼。

Zentrum für S trukturtechnologien, ETH Zürich 最先采用了小变形线弹性模拟了这个模型，采用MpCCI模拟大变形对气流场的影响。