MpCCI_在流固耦合换热中的应用
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风量分布
• 对于风机中的各个风道， 径向和轴向分布的不均 匀度均小于3%
• 可以进行周期性模拟
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发电机冷却分析
• 统计得到的，进出口 压差约为950Pa左右
• 右图为轴向界面压力 分布
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发电机冷却分析
单位
永磁体
极冒
定子齿
定子轭
上层线圈 下层线圈
（w/m3) 43860
86957
96707
22619
165333
115333
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模拟难点
• 由于该电机模型结构非常复杂 • 尺寸较大，细节非常多 • 流固耦合换热
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模拟方案
• 边界的换热计算对边界层的网格有着较高的要求。如果直 接在全模型或者半模下对流场和温度场进行模拟，所需要 的网格经估算会是1E+8的数量级。
– 基于MpCCI的耦合解决方案可以解决三个或者三个以上的多物理场 耦合问题，能够实现流体、固体、热、电磁、控制等诸多物理环 境耦合分析。
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MpCCI的优势
• 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
• 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
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气缸盖模型
• ~290,000 DC3D4 单元 (热传导分析) • 铸铁
• 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
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流固耦合传热问题
• 流固耦合传热问题是流固耦合问题的一个分支，主要关 注流体与固体之间的热量传递，还包括燃烧、辐射传热、 固体的导热和热变形等。
• 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
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以MpCCI为基础的流固耦合方案的架构
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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
– 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
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MpCCI The Standard of FSI
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什么是MpCCI ？
• MpCCI： Mesh‐based parallel Code Coupling Interface
算模型
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MpCCI的优势
• 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 – 。。。
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MpCCI的优势
• 基于MpCCI的流固耦合解决方案能够在各种环境（如 Cluster）下实现并行计算
• 应用领域包括：
– 核工业 • 发电机、变压器 • 冷却系统 • 热交换器
– 汽车 • 发动机、排气歧管、冷却水套
– 航空航天
• 动力推进器 • 高温热防护
– 电子设备的冷却 – ……
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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
– 基于MpCCI的流固耦合方案可以选择包含合适的物理模型（比如辐 射模型、VOF模型、空泡模型）的CFD软件来进行模拟。
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MpCCI的优势
• 基于MpCHale Waihona Puke BaiduI的流固耦合解决方案能够实现流体、固 体、热、电磁、控制等多物理场耦合分析
– 真实环境下CAE模拟的对象除了流固耦合的相互作用，还会由其他 传热、辐射和反馈控制等更多的因素
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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API Toolkit，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（MpCCI Server）传递，极
• 使用MpCCI自带的后处理 程序
Interface loads shown with a contour plot (left) and vector plot (right) in ABAQUS/Viewer
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发动机水套冷却分析
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
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MpCCI简单的使用过程
1. 构造和运行独立的CFD和FEM模型 2. 使用MPCCI的用户界面耦合独立的CFD和FEM模型 3. 从MPCCI图形用户界面运行耦合仿真 4. 对耦合结果的考察和后处理
• 固体结构的最高温 度 在 383K 左 右 ， 最 高温度出现在上层 绕组周围。
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MpCCI的优势
• 基于MpCCI的流固耦合解决方案可以求解复杂物理 环境模型
– 流固耦合传热常常遇到流动机理极其复杂的多物理复杂环境的耦 合问题
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温度场的模拟
• 流体场的入口平均 温度为331K，出口 平均温度为347K。
• 流体场的最高温度 为364K。
• 最高温度出现在下 层绕组相邻的区域 （死流区）
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温度场的模拟
• 固体温度分布由 abaqus 计 算 ， 结 果 如右图所示
排气口 水流
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流体和固体模型
• 极端复杂的几何 • 530,000 四面体单元
ABAQUS FLUENT
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温度分布
Hotter
Uncoupled analysis
Cooler
ABAQUS-FLUENT analysis
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固体模型与网格
• 我们使用的固体软件是 abaqus，模型如图所示
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发电机冷却分析
• 使用fluent来计算流场的温度 • 使用abaqus计算结构区域的温度 • 使用mpcci软件将两者耦合起来，在流体和固体的交界面
上进行墙温度，薄膜温度和对流换热系数的交换
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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
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MpCCI简单的使用过程
1. 构造和运行独立的CFD和FEM模型 2. 使用MPCCI的用户界面耦合独立的CFD和FEM模型 3. 从MPCCI图形用户界面运行耦合仿真 4. 对耦合结果的考察和后处理
MpCCI简单的使用过程
1. 构造和运行独立的CFD和FEM模型 2. 使用MPCCI的用户界面耦合独立的CFD和FEM模型 3. 从MPCCI图形用户界面运行耦合仿真 4. 对耦合结果的后处理
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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
• 右图为周期面上的速 度矢量分布
• 贴近转子入口处有回 流区
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局部流动图
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温度场的模拟
• 使用扇形通道、精细网格、流固耦合计算方法计算温度 场
• 风道的风量跟相邻结构的温度是负相关的。因此要计算 出整个风机内部的最高温度，我们使用了流量最小的风 道
大的减轻了工程师的工作量
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MpCCI所支持的仿真代码
MSC.MARC MD. Nastran
PERMAS
Code API
Research Codes, Inhouse Codes
FLUX
In preparation: • ESI-ACE+ • STAR-CCM+ •Numeca
热应力
ABAQUS-FLUENT analysis
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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
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叶片冷却部分计算结果
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流体网格划分
• 计算流动我们采用的是四 分之一模型。网格划分如 右图图所示，网格总数为 400W
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流体网格划分
• 计算传热需要精细的边 界层，我们采用扇形模 型，网格如右图所示
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模型与边界条件
• 二阶压力级求解器 • standard k‐e湍流模型 • EWF墙方程 • 流量入口和压力出口边界条件
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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
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目录
流固耦合换热问题
MpCCI软件 海基在流固耦合换热方向的解决方 案
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流固耦合（FSI）介绍
• 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
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发电机冷却分析
• 三相永磁同步发电机，电机额定功率为3200kW • 电机为空空冷却 • 一次冷却介质空气在独立外装风扇的作用下强迫电机内部
空气循环流动 ，二次冷却介质为电机周围环境介质，也在 独立外装风扇的作用下驱动周围冷却空气流动
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• MpCCI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。
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MpCCI简单的使用过程
1. 构造和运行独立的ABAQUS和FLUENT模型 2. 使用MPCCI的用户界面耦合独立的ABAQUS和FLUENT模型 3. 从MPCCI图形用户界面运行耦合仿真 4. 对耦合结果的考察和后处理
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• 为了节约计算资源，提高计算精度，我们采用以下步骤进 行模拟。
– 使用分辨率相对较低的网格计算流场的流动 – 在前一步计算结果的基础上，使用精细的网格进行局部加密，同
时使用流体软件+固体软件+mpcci的先进耦合算法，进行温度场的 计算
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几何模型
•几几何何模模型型由如下四部分构成
电机构造
• 发电机模型由定子铁心、上层绕组、下层绕组、绝缘、槽 楔、定子支撑、转子铁心、转轴、转子支撑、磁钢构成
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电机构造
• 线圈绕组，永磁体，铁心均为各向异性传热介质
–
外界环境温度
40 ℃
–
电机内部入口空气温度 58 ℃
–
电机内部风量
4.4 m3/s
• 电机内部载荷如下表
风量分布
• 对于风机中的各个风道， 径向和轴向分布的不均 匀度均小于3%
• 可以进行周期性模拟
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发电机冷却分析
• 统计得到的，进出口 压差约为950Pa左右
• 右图为轴向界面压力 分布
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发电机冷却分析
单位
永磁体
极冒
定子齿
定子轭
上层线圈 下层线圈
（w/m3) 43860
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96707
22619
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模拟难点
• 由于该电机模型结构非常复杂 • 尺寸较大，细节非常多 • 流固耦合换热
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模拟方案
• 边界的换热计算对边界层的网格有着较高的要求。如果直 接在全模型或者半模下对流场和温度场进行模拟，所需要 的网格经估算会是1E+8的数量级。
– 基于MpCCI的耦合解决方案可以解决三个或者三个以上的多物理场 耦合问题，能够实现流体、固体、热、电磁、控制等诸多物理环 境耦合分析。
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MpCCI的优势
• 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
• 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
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气缸盖模型
• ~290,000 DC3D4 单元 (热传导分析) • 铸铁
• 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
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流固耦合传热问题
• 流固耦合传热问题是流固耦合问题的一个分支，主要关 注流体与固体之间的热量传递，还包括燃烧、辐射传热、 固体的导热和热变形等。
• 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
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以MpCCI为基础的流固耦合方案的架构
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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
– 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
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MpCCI The Standard of FSI
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什么是MpCCI ？
• MpCCI： Mesh‐based parallel Code Coupling Interface
算模型
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MpCCI的优势
• 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 – 。。。
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MpCCI的优势
• 基于MpCCI的流固耦合解决方案能够在各种环境（如 Cluster）下实现并行计算
• 应用领域包括：
– 核工业 • 发电机、变压器 • 冷却系统 • 热交换器
– 汽车 • 发动机、排气歧管、冷却水套
– 航空航天
• 动力推进器 • 高温热防护
– 电子设备的冷却 – ……
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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
– 基于MpCCI的流固耦合方案可以选择包含合适的物理模型（比如辐 射模型、VOF模型、空泡模型）的CFD软件来进行模拟。
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MpCCI的优势
• 基于MpCHale Waihona Puke BaiduI的流固耦合解决方案能够实现流体、固 体、热、电磁、控制等多物理场耦合分析
– 真实环境下CAE模拟的对象除了流固耦合的相互作用，还会由其他 传热、辐射和反馈控制等更多的因素
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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API Toolkit，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（MpCCI Server）传递，极
• 使用MpCCI自带的后处理 程序
Interface loads shown with a contour plot (left) and vector plot (right) in ABAQUS/Viewer
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发动机水套冷却分析
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
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MpCCI简单的使用过程
1. 构造和运行独立的CFD和FEM模型 2. 使用MPCCI的用户界面耦合独立的CFD和FEM模型 3. 从MPCCI图形用户界面运行耦合仿真 4. 对耦合结果的考察和后处理
• 固体结构的最高温 度 在 383K 左 右 ， 最 高温度出现在上层 绕组周围。
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MpCCI的优势
• 基于MpCCI的流固耦合解决方案可以求解复杂物理 环境模型
– 流固耦合传热常常遇到流动机理极其复杂的多物理复杂环境的耦 合问题
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温度场的模拟
• 流体场的入口平均 温度为331K，出口 平均温度为347K。
• 流体场的最高温度 为364K。
• 最高温度出现在下 层绕组相邻的区域 （死流区）
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温度场的模拟
• 固体温度分布由 abaqus 计 算 ， 结 果 如右图所示
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流体和固体模型
• 极端复杂的几何 • 530,000 四面体单元
ABAQUS FLUENT
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温度分布
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Cooler
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固体模型与网格
• 我们使用的固体软件是 abaqus，模型如图所示
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• 使用fluent来计算流场的温度 • 使用abaqus计算结构区域的温度 • 使用mpcci软件将两者耦合起来，在流体和固体的交界面
上进行墙温度，薄膜温度和对流换热系数的交换
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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
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MpCCI简单的使用过程
1. 构造和运行独立的CFD和FEM模型 2. 使用MPCCI的用户界面耦合独立的CFD和FEM模型 3. 从MPCCI图形用户界面运行耦合仿真 4. 对耦合结果的考察和后处理
MpCCI简单的使用过程
1. 构造和运行独立的CFD和FEM模型 2. 使用MPCCI的用户界面耦合独立的CFD和FEM模型 3. 从MPCCI图形用户界面运行耦合仿真 4. 对耦合结果的后处理
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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
• 右图为周期面上的速 度矢量分布
• 贴近转子入口处有回 流区
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局部流动图
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温度场的模拟
• 使用扇形通道、精细网格、流固耦合计算方法计算温度 场
• 风道的风量跟相邻结构的温度是负相关的。因此要计算 出整个风机内部的最高温度，我们使用了流量最小的风 道
大的减轻了工程师的工作量
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MpCCI所支持的仿真代码
MSC.MARC MD. Nastran
PERMAS
Code API
Research Codes, Inhouse Codes
FLUX
In preparation: • ESI-ACE+ • STAR-CCM+ •Numeca
热应力
ABAQUS-FLUENT analysis
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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
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叶片冷却部分计算结果
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流体网格划分
• 计算流动我们采用的是四 分之一模型。网格划分如 右图图所示，网格总数为 400W
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流体网格划分
• 计算传热需要精细的边 界层，我们采用扇形模 型，网格如右图所示
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模型与边界条件
• 二阶压力级求解器 • standard k‐e湍流模型 • EWF墙方程 • 流量入口和压力出口边界条件
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• 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
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MpCCI软件 海基在流固耦合换热方向的解决方 案
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流固耦合（FSI）介绍
• 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
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发电机冷却分析
• 三相永磁同步发电机，电机额定功率为3200kW • 电机为空空冷却 • 一次冷却介质空气在独立外装风扇的作用下强迫电机内部
空气循环流动 ，二次冷却介质为电机周围环境介质，也在 独立外装风扇的作用下驱动周围冷却空气流动
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– 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。
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MpCCI简单的使用过程
1. 构造和运行独立的ABAQUS和FLUENT模型 2. 使用MPCCI的用户界面耦合独立的ABAQUS和FLUENT模型 3. 从MPCCI图形用户界面运行耦合仿真 4. 对耦合结果的考察和后处理
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– 使用分辨率相对较低的网格计算流场的流动 – 在前一步计算结果的基础上，使用精细的网格进行局部加密，同
时使用流体软件+固体软件+mpcci的先进耦合算法，进行温度场的 计算
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几何模型
•几几何何模模型型由如下四部分构成
电机构造
• 发电机模型由定子铁心、上层绕组、下层绕组、绝缘、槽 楔、定子支撑、转子铁心、转轴、转子支撑、磁钢构成
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• 线圈绕组，永磁体，铁心均为各向异性传热介质
–
外界环境温度
40 ℃
–
电机内部入口空气温度 58 ℃
–
电机内部风量
4.4 m3/s
• 电机内部载荷如下表