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MPCCI 多物理場耦合的標準

MpCCI——多物理場耦合

1. MPCCI簡介

MpCCI (Mesh-based parallel Code Coupling Interface)由德國SCAI開發,其目的是為了提供一個獨立于應用的接口來耦合不同的仿真代碼。利用MpCCI軟件可以實現兩個或多個仿真代碼在耦合區域的網格之間的數據交換,通常情況下,不同仿真代碼的網格是互不兼容的,MpCCI可以通過自身的耦合及插值算法達到在不同網格之間進行數據交換的目的,即實現了多場耦合的仿真計算。

MpCCI的代碼適配器能夠對不同仿真代碼進行解析,并且MpCCI耦合服務器將所涉及到的所有一一對應物理參量(包括全局參量、能量源、動量源、材料屬性、邊界條件、網格數據以及化學成分等等)進行標準化,使之成為MpCCI中統一的物理參量,以便在耦合定義過程中進行選取。數據交換的復雜細節被隱藏在簡潔的MpCCI界面接口之后。

大多數商業CFD/FEM軟件允許用戶通過應用程序接口增加額外的特征、物理模型、邊界條件,因而在用戶定義子程序內部存取內部數據結構是可能的,甚至于通過子程序參數、全局變量或者通過內部模型來讀取和保存數據。MpCCI正是使用這種能力完成和其它商用軟件的連接。

2. MpCCI軟件的技術優勢

MpCCI的技術優勢體現在以下八個方面:

(1). 降低采購成本。

用戶可以利用現有的CFD軟件和結構分析軟件,因而可以降低軟件購置成本。如用戶如果已經有FLUENT軟件和NASTRAN軟件,那么就僅僅需要采購MpCCI軟件就可以了。

(2). 容易使用

采用MpCCI完成流固耦合分析,利用用戶熟悉的仿真軟件如FLUENT、MD-NASTRAN或ABAQUS進行前后處理,不需要用戶學習其它的軟件,而MpCCI的使用是非常容易的,大約一天就可以學會。

(3). 基于MpCCI的流固耦合方案可以模擬任意速度范圍的流固耦合問題

各種工業應用中的流固耦合問題面對的耦合情況非常復雜,既有可能是像液壓系統、燃油系統、充液管道系統這樣的不可壓縮流作用下的流固耦合,也可能涉及到像飛行器這樣的可壓縮流場作用下的氣動彈性耦合問題。在實際情況下,僅僅采用單一的CFD求解器很難實現從不可壓縮到可壓縮流的各種流場的高效求解。比如對于強壓縮流動問題可以選擇FLUENT中基于密度的求解器,對于像飛行器水下發射系統的問題可以選擇基于壓力的求解器。基于MpCCI流固耦合方案可以根據用戶計算模型的特點選擇合適的求解器進行高效率的模擬。因此,基于MpCCI流固耦合解決方案通過選擇合適的求解器可以解決從不可壓縮流到高超音速的流固耦合問題。

(4). 基于MpCCI的流固耦合方案可以求解涉及復雜流動機理的流固耦合問題

在進行工業級的數值模擬仿真時往往會遇到流動機理極其復雜的耦合問題。比如飛行器在高馬赫數條件下,由于相對溫差較大,需要考慮輻射等傳熱因素。上述問題都是需要考慮復雜流動機理的問題。基于MpCCI的流固耦合方案可以選擇合適的CFD軟件,如FLUENT包含豐富的物理模型,MpCCI與FLUENT軟件結合可以模擬輻射、VOF模型、自由表面等問題。因此,基于MpCCI的流固耦合方案可以模擬包含非常復雜的流動機理的流固耦合問題。

(5). 基于MpCCI的流固耦合方案可以模擬大位移和大變形的流固耦合問題

流固耦合分析的目的就是研究流體和固體間的相互作用對固體結構和流場的影響,在大變形情況下流固耦合的相互作用更加突出。在實際工程分析過程中多數都需要考慮具有大位移、大變形特征的流固耦合問題。支持大變形和動態網格是能夠實現流固耦合的基礎。基于MpCCI流固耦合方案可以選擇像FLUENT這樣包含非常完善和先進的動網格技術的CFD軟件,基于FLUENT所提供的彈簧光順、動態層鋪、局部網格重構三種動網格技術,可以求解像具有不同的運動規律的多個區域運動等復雜的動網格問題。因此基于MpCCI流固耦合方案可以順利模擬涉及大變形和大位移的流固耦合問題。

(6). 基于MpCCI的流固耦合方案能夠實現時間異步的流固耦合分析

流固耦合分析的計算量是非常巨大的,其時間復雜度是單獨求解固體時間復雜度與單獨求解流體時間復雜度的乘積。海量的計算量是實現工業級流固耦合分析的巨大障礙,這是由流固耦合分析所需要處理的復雜問題決定的。首先,對同一個流固耦合問題,流體和固體的模擬響應時間往往是有差別的。比如在分析穩態的流固耦合熱傳導問題時,熱量的傳輸過程比在固體中的擴散過程快很多,因此流體區域的計算時間需要取更小的時間步長。另外,至于求解精度和數值穩定性的考慮,CFD軟件和FEM軟件對其分析的時間步長也往往是有不同的限制的。比如固體區域中采用顯式算法求解器運算時,有限元分析的時間步長需要小于固體中的波速通過最小單元的時間。如果流體區域和固體區域都采用相同的時間步長,可能會導致流固耦合計算效率的大大降低。因此,在流體區域和固體區域采用相同的時間步長在絕大多數工程實際問題是不適宜的。基于MpCCI的流固耦合方案采用時間異步技術,可以根據固體求解器和流體求解器的效率和并行性能的特點靈活合理的設置不同的流體和固體的時間步長,大大降低流固耦合的計算時間復雜度。

(7). 基于MpCCI的流固耦合解決方案能夠實現在各種計算平臺、各種網絡環 境下高效率的并行計算

MpCCI采用客戶機服務器體系結構,客戶機和服務器的通信采用通用的MPI協議,使得基于MpCCI的流固耦合方案可以運行各種主流的如超級計算機、PC Cluster等計算機平臺和TCP/IP、Infiniband、Myrinet等網絡環境。MpCCI可以采用后臺方式運行,支持LSF、PBS等并行批處理作業和計算機系統資源管理工具。在計算的過程中,客戶端代碼本身的并行仍然采用原有的并行機制,如FLUENT、NASTRAN、ABAQUS、ANSYS仍然采用各自的并行方式,基于MpCCI的流固耦合解決方案不會影響客戶端軟件的并行性能。另外,基于MpCCI的流固耦合解決方案既可以讓客戶端程序之間串行方式執行,也可以并性方式執行。如FLUENT和NASTRAN/ABAQUS/ANSYS同時求解,在完成一個時間步后交換數據,然后FLUENT和NASTRAN/ABAQUS/ANSYS再同時求解,如此循環。這將極大提高大負荷問題的解算效率。因此,基于MpCCI的流固耦合解決方案能夠在各種環境下實現高效率的并行計算。

(8). 基于MpCCI的耦合解決方案能夠實現流體、固體、熱、電磁、控制等多物理環境耦合分析

真實環境下CAE模擬的對象除了流固耦合的相互作用,還會由其他傳熱、輻射和反饋控制等更多的因素。比如飛行器控制系統對飛行器操縱控制等多種因素相互作用相互影響的問題。基于MpCCI的耦合解決方案可以解決三個或者三個以上的多物理場耦合問題,能夠實現流體、固體、熱、電磁、控制等諸多物理環境耦合分析。

3. MpCCI軟件支持高性能計算

操作系統

MpCCI支持目前各種主流的操作系統。具體包括:

Windows操作系統:

Windows XP、 Windows XP 64、Windows Vista、Windows Vista 64

Linux操作系統:

Redhat、SUSE等linux操作系統

Unix操作系統:

支持HP-UX 11.00、HP-UX 11.22、HP-UX 11.23、IBM AIX 5.1、IBM AIX 5.2、IBM AIX 5.3、SUN Solaris 、OSF、SGI IRIX等

 CPU 類型

MpCCI支持各種dual core、quad core的CPU類型。具體包括:

Intel系列

Intel x86、Intel EMT64、Itanium I、Itanium II

AMD 系列

AMD x86、AMD64、AMD Opteron

SUN Sparc系列處理器

IBM Power系列處理器

HP PA-RISC系列處理器

并行能力

軟件的并行能力

MpCCI本身的并行數目沒有限制,并行能力由與MpCCI連接的應用軟件的并行能力決定。基于MpCCI的流固耦合解決方案不會影響客戶端軟件的并行性能。另外,基于MpCCI的流固耦合解決方案既可以讓客戶端程序之間串行方式執行,也可以并性方式執行。如FLUENT和ABAQUS/ANSYS同時求解,在完成一個時間步后交換數據,然后FLUENT和ABAQUS/ANSYS再同時求解,如此循環,這將極大提高大負荷問題的解算效率。因此,基于MpCCI的流固耦合解決方案能夠在各種環境下實現高效率的并行計算。

列舉軟件可并行的模塊

MpCCI的核心服務器和底層應用程序都支持并行。

列舉軟件不能并行的模塊

MpCCI的代碼適配器不能并行,因為代碼適配器僅僅是掃描底層應用程序的數據庫文件的格式和語法,它的IO量和計算量幾乎可以忽略不計,因此不需要并行。

軟件并行對網絡互聯的支持,比如infiniband

MpCCI利用MPICH作為內部通信接口,支持infiniband、Myrinet等網絡環境下的并行計算。

網格計算(Grid computing)

MpCCI支持后臺方式運行,支持LSF、PBS、NQS等批處理作業和計算機系統資源管理工具。

二. MPCCI流固耦合算例介紹

1. 安全殼冷卻問題

本項目重點針對非能動安全殼冷卻系統(PCS),由一臺與安全殼屏蔽構筑物結構合為一體的儲水箱、從水箱經由水量分配裝置將水輸運至安全殼殼體的管道,以及相關的儀表、管道和閥門構成,其效果示意圖如圖所示:

 安全殼與屏蔽構筑物非能動冷卻效果示意圖

當反應堆發生堆芯熔化,熔融物堆積在壓力容器RPV下封頭內,阻止核輻射向外擴散的問題簡稱為IVR問題。(In-Vessel Retention)

發生事故后,RPV外部補水冷卻,發生沸騰和汽水混合流動現象(流體沸騰與兩相流問題)。隨著溫度的降低,熔融物發生凝固(流體凝固問題)。同時由于熔融物凝固點比RPV(鋼)的熔點要高,因此RPV會發生局部熔化下現象(固體熔化問題)。另外由于長時間的處于高溫狀態,又會發生高溫蠕變效應(結構力學問題)。

這個問題重要性非常高,僅高溫蠕變實驗都非常難做(國內很難找到如此高溫的實驗環境)。尤其是此次日本核電站事故,導致這些問題一定要研究清楚。

安全殼示意圖

安全殼是一個球冠體,內部高溫水沸騰形成水蒸氣,水蒸氣又會形成自然對流,當水蒸氣接觸到安全殼較冷的上壁面時會發生冷凝現象;安全殼外部淋水,液態水會發生蒸發現象以及兩相流問題。內外之間通過安全殼體傳熱耦合。這也是需要MPCCI來解決。

MpCCI耦合計算方案示意圖

綜合上述物理現象,在本項目中,使用MpCCI軟件作為耦合計算的工具軟件,并且可以使用通用的CAE及CFD仿真軟件針對某物理場或某物理現象執行分析。例如,水的沸騰和冷凝,鐵的蠕變和融化等。MpCCI在一次計算中可以調用多個CFD 或CAE代碼的功能,首次為安全殼問題的解決提供了技術條件。

2. 基于MpCCI的主蒸汽閥熱應力和疲勞分析

主蒸汽閥是一個重要的關鍵設備。在單純進行有限元分析時,其一般方法是定義所有簡單的邊界條件——將整個閥門內表面傳熱系數設置為一個固定的相同值(如α = 10.000 W/m2K)。在結果方面:疲勞程度高,也無法評估這種處理方法是否對所有的情況都是保守的。

流固耦合計算可以提供可靠的邊界條件,避免單純有限元仿真的弱點。從耦合仿真結果看出流速存在巨大的差異,最大流速為85m/s。最小流速區域不到10m/s,這一區域壁面上的熱傳遞和熱載荷沒那么強烈。低于1.000 W/m2K的傳熱系數會在壁面和蒸汽之間產生相當的溫度差,因此簡單的邊界條件(10.000 W/m2K)過于保守。

使用基于MpCCI的流固耦合方法,通過使用流體仿真的計算結果作結構分析的邊界條件施加于蒸汽閥上,將更加接近于真實的情況。疲勞仿真的結果也將更加準確。

  蒸汽閥結構及流速仿真結果

3. 柴油發動機缸蓋流固耦合分析

發動機設計廠商:德國道依茨公司

發動機型號:BF6M2013

六缸直列

水冷

渦輪增壓

功率190KW

排量5.7L

燃油消耗195g/kWh

最大扭矩940Nm

仿真計算流程:

缸蓋熱應力的預測在很大程度上取決于流體的影響。高溫氣體進入流道并且加熱,使缸蓋溫度升高,缸蓋上的溫度梯度產生熱應力。通過直接的仿真軟件耦合,可以將由FLUENT軟件計算出的流體溫度和傳熱系數傳遞給結構軟件ABAQUS。利用這些參量,ABAQUS就可以計算出熱通量以及缸蓋上的溫度分布。隨后,再由ABAQUS計算缸蓋的熱應力。

本次仿真計算中,采用了兩種方法對缸蓋進行仿真計算。一種是分別采用CFD或FEM軟件對缸蓋進行獨立的仿真計算;另一種是采用基于MpCCI的流固熱耦合解決方案,在一次計算中同時調用CFD和FEM軟件對缸蓋進行多場耦合計算。

模型準備:

流體計算的計算域,邊界條件和參數如下:

 流體計算域

流體計算的邊界條件及參數

有限元計算的計算域,邊界條件和參數如下:

 有限元計算域                            有限元計算的邊界條件及參數

結果分析:

經兩種方法的仿真計算,得到的結果比較如下:

 流動結構

 耦合面熱通量

耦合面溫度分布

 缸蓋外表面溫度分布

缸蓋熱應力分布


結論:

由以上的結果比較可以發現,基于MpCCI的發動機流固熱耦合仿真解決方案較之單場仿真的方法,能夠提供更加精確,全面,更加靠近實際的仿真結果:

 底板附近的溫度高于單場仿真的預期值。

 存在反向傳熱區域。

 最大應力比較單場仿真的預期值高出了大約5%。

4. 電磁設計中的多物理場耦合應用

對于磁-熱耦合,電-熱耦合以及CFD-emag耦合仿真,雖然名稱和使用的仿真工具可能有所不同,但是原理往往是相同的。通過交流電的電器設備,由于電阻作用而生熱(焦耳熱)。這會導致溫度升高,使導體的電阻率增加,進而產生更多的熱量。

在本項目中,電磁特性由FLUX軟件進行計算,熱力學特性有ICEPAK軟件計算,使用MpCCI控制兩種軟件的耦合計算。在這里需要指出,ICEPAK被用于熱力學仿真的前處理,而用于作為求解器的是FLUENT。耦合仿真的流程如下圖所示。

 磁熱耦合仿真流程

5. 節流閥流固耦合

閥耐實驗有限公司是世界最領先的閥門公司,應用MpCCI、ABAQUS、FLUENT對氣閥進行優化設計。設計目標為:在定制的工程閥上,要求在變化的入口壓力條件下得到恒定的流量輸出。

氣閥的工作原理:在變壓的入口,氣流作用在閥門口的超彈性材料上,隨著入口壓力的增大,在流速增大的同時,由于超彈性材料產生的大變形,逐漸縮小入口口徑,這樣就保證通過氣閥的流量是一定的。示意如下圖:


流動控制閥刨面


實際幾何結構和模型如下所示

  氣閥耦合計算結構和模型

固體部分材料是非線性的超彈性材料,采用ABAQUS固體模擬程序,選用C3D8RH雜交減積分單元,大約是22000個單元。橡膠氣閥部分和外邊界采用有限滑移摩擦。流體部分采用FLUENT軟件作為耦合分析的流體計算軟件,選擇標準k-ε 模型和非結構的四面體,網格數為233000。

通過試驗結果和數值模擬結果的比較可以得出結論,基于MpCCI的流固模擬結果是可靠的。

為此,得到閥耐公司的評價,“與流體的耦合分析避免了利用反復切割實驗的方法來開發新產品”。

流量和入口壓力關系曲線


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