第三方平台软件流固耦合mpcci介绍(中文版)

MpCCI －The Standard of FSI
How WIDELY used is Mpcci: Examples
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
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
• MpCCI： Mesh-based parallel Code Coupling Interface • 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。
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
MpCCI GUI Go panel
How Easy is MpCCI
MpCCI所支持的仿真代码
MSC.MARC
Code API
FLUX
PERMAS
Research Codes, Inhouse Codes
In preparation: • ESI-ACE+ • STAR-CCM+ • MSC.Nastran
• Numeca
MpCCI －The Standard of FSI How EASY is Mpcci: A Simple Process
– 获得稳态的温度分布 – 获得可靠的热应力分布
气缸盖模型
• • ~290,000 DC3D4 elements (heat transfer analysis) Cast iron
gas exhaust
water flow
流体和固体模型
ABAQUS FLUENT
• Complex geometry • 530,000 tetrahedral cells
Βιβλιοθήκη Baidu
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
MpCCI The Standard of FSI
What is MpCCI ？
安溢阀门工作示意图
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
• 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
MpCCI GUI Coupling panel
How Easy is MpCCI
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
温度分布
Hotter
Uncoupled analysis
Cooler
ABAQUS-FLUENT analysis
热应力
ABAQUS-FLUENT analysis
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
MpCCI——模拟真实的物理世界
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
Introduction to FSI
• 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
– 尺寸和位置对应
– 标识耦合面 – 其余的设置完全互相独立
How Easy is MpCCI
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
耦合独立的CFD和FEM模型
• 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
The Tacoma Bridge
Tacoma Narrows Bridge, 1940
应用的对象
• 航空航天/国防
结果对比
• • Comparisons between a rigid wing (CFD-only analysis) and an elastic wing (FSI simulation) The effect of forward rake angle on the aerodynamic response is not captured by CFD-only simulations An increase in lift and drag forces is observed with a larger negative rake angle for FSI simulations The structural behavior is important in order to obtain accurate prediction of the aerodynamic glider response
• 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
以MpCCI为基础的流固耦合方案的架构
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
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 大的减轻了工程师的工作量
Aerodynamic forces at 140 km/h
•
•
Lift (elastic) Lift (rigid)
Drag (elastic) Drag (rigid)
Flow Field Animation
安溢阀门工作模拟简介
1．膜片 2.O形圈 3.反馈管 4.指挥阀 5.主弹簧
6.主活塞
叶片冷却部分计算结果
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 0–40 psi – 要求在操作压力范围提供恒定的流 量输出 – 实验验证
Model geometry and test data provided courtesy of Vernay Laboratories
滑翔机机翼的空气动力学研究
• • • • DG-1000 glider wing Original linear-elastic simulation was performed by
Zentrum für Strukturtechnologien, ETH Zürich
Example extends the simulation by including large-displacement effects Simulation objective
“Vernay has long been a user of ABAQUS for the
structural side but the addition of coupled fluid analysis will eliminate what has been historically the cut and try approach to product development when fluid flow plays a significant role.”
– – – – 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
• 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 – Hydraulic engine mounts, disc brake system, ABS, shock absorbers
• 能源/油气
– 油箱晃动 – 管线, risers – 热交换器 (核动力)
• Electronics
– Cooling of electronic components – Manufacturing of integrated circuits
• Rubber
– Flow limiters, seals – Tire hydroplaning
• 机翼的扭转响应将随着前倾角变化（ Rake angle）
– 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-Strukturkopplungen mit MpCCI,” 2004
How Easy we can use MpCCI
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
建立 ABAQUS 和FLUENT 模型 • 分别建立流体和固体模 型
模型说明
• ABAQUS model
– ~37,000 S4/S3 elements – Large geometric effects – Linear-elastic composite properties
• FLUENT model
– ~723,000 tetrahedral cells – Incompressible laminar flow
Under low pressure Under high pressure
Flow control value cross-section
Results
Outlet Flow Rate vs. Inlet Pressure
Inlet Pressure
Outlet Flow Rate
Customer Feedback
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
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
Interface loads shown with a contour plot (left) and vector plot (right) in ABAQUS/Viewer
– Determine aerodynamic performance for different wing designs
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, Rake angle = -1° – 结构B, Rake angle = -5° – 结构C, Rake angle = -10°