MpCCI_在流固耦合换热中的应用
流固耦合解决方案及MPCCI功能介绍
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 …
-24-
MpCCI的应用领域
流固耦合
汽车外形空气动力学设计
StarCD–Nastran/ ABAQUS
压电系统的阻尼
StarCD–ANSYS
聚合物静态混合器
StarCD–Permas
生物力学模拟
StarCD–Mecano
汽车安全气囊气体喷射模拟 CFX–Marc
Computing 开发的。发展历史为：
• 1996 开发Coupling Communication Library (CoCoLib)。 • 2000 首次公开发布MpCCI version 1.0 • 2001-2002 MpCCI version 1.x • 2003 MpCCI version 2.0 • 2004 MpCCI version 3.0 最新版本是3.10
改进的隐式流固耦合
0 = σ ij , j + f i
ε ij
=
1 2
(u i, j
+ u j,i )
σ ij = 2 µε ij + λε δ kk ij
σ ij n ij = Fi
STAR-CD 温度
STAR-CD 等效应力
-7-
分析实例
计算模型
管壳式换热器
-8-
分析实例
换热器温度场变化
-9-
结果可视化处理
-21-
MpCCI 体系结构
1. 准备模型
模模型型文文件件AA
模模型型文文件件 BB
2. 定义耦合过程 3. 耦合计算
软件
耦合区域
物理量
选项
基于MpCCI的Abaqus和Fluent流固耦合案例1
CAE联盟论坛精品讲座系列基于MpCCI的Abaqus和Fluent流固耦合案例主讲人：mafuyin CAE联盟论坛总监摘要：通过MpCCI流固耦合接口程序，对某薄壁管道流动中的传热过程进行了Abaqus和Fluent相结合的流固耦合仿真分析。
信息介绍了从建模、设置到求解计算和后处理的全过程，对相关研究人员具有参考意义。
1 分析模型用三维建模软件solidworks建立了一个管径为1m的弯管，结构尺寸如图1a所示，管的结构如图1b所示，流体的模型如图1c所示。
值得注意的是，由于拓扑特征的原因，这样的管壁模型无法通过对圆环扫略直接生成，而需先通过对大圆的扫略生成实心的模型(类似于流体模型)，然后进行抽壳得到管壁的模型。
用同样的方法对大圆半径减去管壁厚度的圆进行扫略得到流体模型。
a. 尺寸关系b. 管壁结构c. 流体模型图1. 几何模型示意图图2. 流固耦合传热分析模型示意图内壁面(耦合面)速度入口v=6m/s; T in=600K外壁面压力出口P=0Pa；T out=300K由于管壁结构和流体的热学行为不同，传热系数等都不一样，所以属于典型的流固耦合传热问题，热学模型如图2所示。
即管的一端为流体速度入口，一端为压力出口，给定流体外壁面一个初始温度600K，流体入口速度为6m/s，温度为600K，出口相对大气压力为0Pa，出口温度为300K。
需要求解流体和管壁的温度场分布情况。
2 流体模型将图1c的流体模型以Step格式导入Fluent软件通常使用的前处理器Gambit中，如图3a所示。
设置求解器为，然后划分体网格，网格尺寸为100mm，类型为六面体单元，一共生成4895个体单元，网格如图3b所示。
a. 导入Gambit软件中的流体模型b. 流场的网格模型图3. 流体模型及网格示意图进行网格划分后，需定义边界条件，在Gambit软件中先分别定义速度入口(VELOCITY_INLET)、压力出口(PRESSURE_OUTLET)和壁面(Wall)三组边界条件，具体参数设置在Fluent软件中进行。
abaqus与fluent流固耦合
基于MPCCI的流固耦合成功案例基于MPCCI的流固耦合成功案例（一）机翼气动弹性分析1 问题陈述机翼绕流问题是流固耦合中的经典问题。
以前由于缺乏考虑流固耦合的软件，传统的分析方法是将机翼视为刚体，不考虑其弹性变形，通过CFD软件来计算机翼附近的流场。
这个强硬的假设很难准确的描述流场的实际情况。
更无法预测机翼的振动。
MPCCI是基于代码耦合的并行计算接口，它可以同时调用结构和流体的软件来实现流固耦合。
我们通过MPCCI，能很好的预测真实情况下的机翼绕流问题。
采用ABAQUS结构分析软件来求解结构在流畅作用下的变形和应力分布，通过Fluent软件来计算由于固体运动和变形对整个流场的影响。
2 模拟过程分析顺序MpCCI的图形用户界面可以方便的读入结构和流体的输入文件。
后台调用ABAQUS和FLUENT。
在MPCCI耦合面板中选择耦合面，然后选择在相应耦合面上流体和固体需要交换的量。
启动MpCCI进行耦合。
3 边界条件设置图1 无人机模型和流体计算模型结构部分单个机翼跨度在1.5m左右，厚度为0.1m左右。
边界条件为机翼端部的固定，三个方向的位移完全固定，另一端完全自由。
在固体中除了固定端的面外，其他三个面为耦合面。
流体部分采用四面体网格，采用理想气体作为密度模型。
流体的入口和出口以及对称性边界条件如下图所示。
图2 固体有限元模型4 计算方法的选择通过结合ABAQUS和FLUENT，使用MPCCI计算流固耦合。
在本例中，固体在流场作用下产生很大的变形和运动。
在耦合区域，固体结构部分计算耦合面上的节点位移，通过MPCCI传输给FLUENT的耦合界面，FLUENT 计算出耦合区域上的节点力载荷，然后通过MPCCI传给结构软件ABAQUS。
在MPCCI的耦合面板中选择的耦合面如图所示，交换量为：节点位移、相对受力。
采用ABAQUS中的STANDARD算法，时间增量步长为0.1毫秒。
5 计算结论通过MPCCI结合ABAQUS和FLUENT，成功地计算在几何非线性条件下的气动弹性问题，得到了整个流体区域的流场分布以及结构的动态响应历程。
第三方平台软件流固耦合mpcci介绍(中文版)案例
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
下，或站着，或随即坐在石头上，手 持那把 扇子， 边唠嗑 边乘凉 。孩子 们却在 周
围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听 到“强 子，别 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ了， 快来我 给你扇 扇”。 孩
基于MpCCI的Abaqus和Fluent流固耦合案例
基于MpCCI 的Abaqus 和Fluent 流固耦合案例mafuyin摘要：通过MpCCI 流固耦合接口程序，对某薄壁管道流动中的传热过程进行了Abaqus 和Fluent 相结合的流固耦合仿真分析。
信息介绍了从建模、设置到求解计算和后处理的全过程，对相关研究人员具有参考意义。
1 分析模型用三维建模软件solidworks 建立了一个管径为1m 的弯管，结构尺寸如图1a 所示，管的结构如图1b 所示，流体的模型如图1c 所示。
值得注意的是，由于拓扑特征的原因，这样的管壁模型无法通过对圆环扫略直接生成，而需先通过对大圆的扫略生成实心的模型(类似于流体模型)，然后进行抽壳得到管壁的模型。
用同样的方法对大圆半径减去管壁厚度的圆进行扫略得到流体模型。
a. 尺寸关系b. 管壁结构c. 流体模型图1. 几何模型示意图图2. 流固耦合传热分析模型示意图内壁面(耦合面) 速度入口v=6m/s; T in =600K 外壁面压力出口 P=0Pa ；T out =300K由于管壁结构和流体的热学行为不同，传热系数等都不一样，所以属于典型的流固耦合传热问题，热学模型如图2所示。
即管的一端为流体速度入口，一端为压力出口，给定流体外壁面一个初始温度600K，流体入口速度为6m/s，温度为600K，出口相对大气压力为0Pa，出口温度为300K。
需要求解流体和管壁的温度场分布情况。
2 流体模型将图1c的流体模型以Step格式导入Fluent软件通常使用的前处理器Gambit 中，如图3a所示。
设置求解器为，然后划分体网格，网格尺寸为100mm，类型为六面体单元，一共生成4895个体单元，网格如图3b所示。
a. 导入Gambit软件中的流体模型b. 流场的网格模型图3. 流体模型及网格示意图进行网格划分后，需定义边界条件，在Gambit软件中先分别定义速度入口(VELOCITY_INLET)、压力出口(PRESSURE_OUTLET)和壁面(Wall)三组边界条件，具体参数设置在Fluent软件中进行。
流固耦合概述及应用研究进展
流固耦合概述及应用研究进展流固耦合概述及应用研究进展摘要流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支。
顾名思义，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。
流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用(fluid．solid interaction)：变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。
总体上 ,流固耦合问题按耦合机理可分为两大类:一类的特征是流固耦合作用仅仅发生在流、固两相交界面上,在方程上耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的;另一类的特征是流、固两相部分或全部重叠在一起 ,耦合效用通过描述问题的微分方程来实现。
1 流固耦合概述1．1引言历史上，人们对流固耦合现象的早期认识源于飞机工程中的气动弹性问题。
Wright兄弟和其它航空先驱者都曾遇到过气动弹性问题。
直到1939年二战前夕，由于飞机工业的迅猛发展，大量出现的飞机气动弹性问题的需要，有一大批科学家和工程师投入这一问题的研究。
从而，气动弹性力学开始发展成为一门独立的力学分支。
如果将与飞机颤振密切相关的气动弹性研究作为流固耦合的第一次高潮的话，则与风激振动及化工容器密切相关的研究可作为流固耦合研究的第二次高潮。
事实上，从美国ASME应用力学部召开的历次流固耦合研讨会上可以看出，流固耦合问题涉及到很多方面。
比如：空中爆炸及响应，噪声相互作用问题，气动弹性，水弹性问题，充液结构内的爆炸分析，管道中的水锤效应，充液容器的晃动及毛细流中血细胞的变形，沉浸结构的瞬态运动，流固相互冲击，板的颤振及流体引起的振动，圆柱由于热交换引起支持附件松动的非线性流固耦合系统，声音与结构的相互作用，涡流与结构的相互作用，机械工程中的机械气动弹性问题等等。
1.2流固耦合力学定义和特点流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的--I'l力学分支。
流固热耦合
流固热耦合流固耦合是一种复杂的热耦合，它表示流体和固体之间的热耦合。
流固耦合对于了解物理系统的热传导特性是非常重要的，它可以用来模拟控制机械热力学系统中的温度场。
流固耦合现在已经用于多种应用，如发动机温度控制、核能使用等。
流体是由固体的表面蒸发而形成的，流体蒸发热量将有助于将固体面的热量输送至其他空间。
由于流体流动过程中受到热源和热汇的影响，所以流体与固体之间会取得一种耦合状态。
流体与固体之间的热耦合过程就是流固耦合。
流固热耦合由四个环节组成：热源、冷却器、工艺侦测器和控制器。
热源可以通过能量传输，如汽油发动机、内燃机等，将热量输入到流体中。
冷却器能够将流体中的热量输出到外界环境中去。
工艺侦测器用于检测流体的温度，告知控制器机器实际温度，从而使控制器能够进行合理的参数设定来确保热环境平衡。
流固耦合系统中，固体发放热量给流体，流体发放热量给周围环境，而流体及固体温度又影响流体的热传质量。
综上所述，流热耦合的传热系统需要满足热平衡条件，即求得系统中热源、冷却器及其他原件之间的热传质量，以求得最终的热平衡状态。
流固耦合不仅可以通过热传质量控制及求解热平衡状态来应用，还可以用于模拟和控制物理机械系统，从而实现对发动机温度场的控制。
比如，它可以用于汽车、摩托车发动机温度控制，以实现发动机额定温度场，从而防止由于超温造成的发动机故障现象。
此外，核能中也开始应用流固耦合，以减轻给定气温和流速下的热力学效应，减少危害或者提高气流的能量使用效率，使多边热换器系统变得更加先进。
从上述可知，流固耦合体系对控制机械热力系统的温度场有着重要的作用，这一热耦合体系的发展与应用已经越来越普及，在节能环保、发动机控制及核能等多个领域发挥着重要作用。
我们期待未来流固耦合系统会发展得更好，并为社会发展作出更大的贡献。
第三方平台软件流固耦合mpcci介绍(中文版)汇总资料
• Electronics
– Cooling of electronic components – Manufacturing of integrated circuits
• Rubber
– Flow limiters, seals – Tire hydroplaning
– 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
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
• 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。
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
• 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
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。
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
• 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 – ……
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
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
叶片冷却部分计算结果
• 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。
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
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
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
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
• 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
发动机水套冷却分析
排气口 水流
流体和固体模型
• 极端复杂的几何 • 530,000 四面体单元
ABAQUS FLUENT
温度分布
Hotter
Uncoupled analysis
Cooler
ABAQUS-FLUENT analysis
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
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
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
MpCCI GUI Coupling panel
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
• 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
气缸盖模型
• ~290,000 DC3D4 单元 (热传导分析) • 铸铁
– 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。
MpCCI的优势
• 基于MpCCI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
算模型
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 – 。。。
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
– 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
什么是MpCCI ？
• MpCCI： Mesh‐based parallel Code Coupling Interface
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
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
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）
温度场的模拟
• 固体温度分布由 abaqus 计 算 ， 结 果 如右图所示
• 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
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
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
• 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。
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
• 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
几何模型
•几几何何模模型型由如下四部分构成
大的减轻了工程师的工作量
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
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
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
发电机冷却分析
固体模型与网格
• 我们使用的固体软件是 abaqus，模型如图所示
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
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
• 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
局部流动图
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