基于MPCCI的流固耦合成功案例

1、基于MPCCI的流固耦合成功案例newmaker（一）機(jī)翼氣動(dòng)彈性分析 1 問(wèn)題陳述 機(jī)翼繞流問(wèn)題是流固耦合中的經(jīng)典問(wèn)題。以前由于缺乏考慮流固耦合的軟件，傳統(tǒng)的分析方法是將機(jī)翼視為剛體，不考慮其彈性變形，通過(guò)CFD軟件來(lái)計(jì)算機(jī)翼附近的流場(chǎng)。這個(gè)強(qiáng)硬的假設(shè)很難準(zhǔn)確的描述流場(chǎng)的實(shí)際情況。更無(wú)法預(yù)測(cè)機(jī)翼的振動(dòng)。MPCCI是基于代碼耦合的并行計(jì)算接口，它可以同時(shí)調(diào)用結(jié)構(gòu)和流體的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)流固耦合。我們通過(guò)MPCCI，能很好的預(yù)測(cè)真實(shí)情況下的機(jī)翼繞流問(wèn)題。采用ABAQUS結(jié)構(gòu)分析軟件來(lái)求解結(jié)構(gòu)在流暢作用下的變形和應(yīng)力分布，通過(guò)Fluent軟件來(lái)計(jì)算由于固體運(yùn)動(dòng)和變形對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的影響。 2 模擬過(guò)程分析順

2、序 MpCCI的圖形用戶(hù)界面 可以方便的讀入結(jié)構(gòu)和流體的輸入文件。后臺(tái)調(diào)用ABAQUS和FLUENT。在MPCCI耦合面板中選擇耦合面，然后選擇在相應(yīng)耦合面上流體和固體需要交換的量。啟動(dòng)MpCCI進(jìn)行耦合。 3 邊界條件設(shè)置 圖1 無(wú)人機(jī)模型和流體計(jì)算模型結(jié)構(gòu)部分單個(gè)機(jī)翼跨度在1.5m左右，厚度為0.1m左右。邊界條件為機(jī)翼端部的固定，三個(gè)方向的位移完全固定，另一端完全自由。在固體中除了固定端的面外，其他三個(gè)面為耦合面。流體部分采用四面體網(wǎng)格，采用理想氣體作為密度模型。流體的入口和出口以及對(duì)稱(chēng)性邊界條件如下圖所示。 圖2 固體有限元模型4 計(jì)算方法的選擇 通過(guò)結(jié)合ABAQUS和FLUENT，使

3、用MPCCI計(jì)算流固耦合。在本例中，固體在流場(chǎng)作用下產(chǎn)生很大的變形和運(yùn)動(dòng)。在耦合區(qū)域，固體結(jié)構(gòu)部分計(jì)算耦合面上的節(jié)點(diǎn)位移，通過(guò)MPCCI傳輸給FLUENT的耦合界面，F(xiàn)LUENT 計(jì)算出耦合區(qū)域上的節(jié)點(diǎn)力載荷，然后通過(guò)MPCCI傳給結(jié)構(gòu)軟件ABAQUS。在MPCCI的耦合面板中選擇的耦合面如圖所示，交換量為：節(jié)點(diǎn)位移、相對(duì)受力。采用ABAQUS中的STANDARD算法，時(shí)間增量步長(zhǎng)為0.1毫秒。 5 計(jì)算結(jié)論 通過(guò)MPCCI結(jié)合ABAQUS和FLUENT，成功地計(jì)算在幾何非線(xiàn)性條件下的氣動(dòng)彈性問(wèn)題，得到了整個(gè)流體區(qū)域的流場(chǎng)分布以及結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)歷程。 圖3 不同時(shí)刻的機(jī)翼變形(二)節(jié)流閥流固耦

4、合 閥耐實(shí)驗(yàn)有限公司的流體流動(dòng)閥模擬（ 幾何模型和試驗(yàn)值由Vernay Laboratories提供） 世界最領(lǐng)先的閥門(mén)公司Vernay公司，應(yīng)用MpCCI結(jié)合ABAQUS和FLUENT對(duì)氣閥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)目標(biāo)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(mén)口的超彈性材料上，隨著入口壓力的增大，超彈性材料，產(chǎn)生很大的變形，從而逐漸縮小入口口徑，這樣保證通過(guò)氣閥的流量是一定的。示意如下圖： 圖4 流動(dòng)控制閥刨面實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)和模型如下所示 圖5 氣閥耦合計(jì)算結(jié)構(gòu)和模型固體部分材料是超彈性材料，變形存在很大的非線(xiàn)性，采用ABAQU

5、S作為流固耦合的固體耦合軟件，采用C3D8RH雜交減積分單元，單元數(shù)大約是22000個(gè)。橡膠氣閥部分和外邊界采用有限滑移摩擦（Finite-sliding frictional contact）。流體部分采用FLUENT軟件作為耦合的流體計(jì)算軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)的k- 模型，四面體單元，單元數(shù)大約在233000個(gè)單元。 通過(guò)試驗(yàn)值和數(shù)值模擬值得比較可以，MpCCI集合ABAQUS和FLUENT有很好的預(yù)測(cè)效果。 圖6 流量和入口壓力關(guān)系曲線(xiàn)為此，得到閥耐公司的高度評(píng)價(jià)， “Vernay是ABAQUS的長(zhǎng)期客戶(hù)。當(dāng)流體流動(dòng)扮演重要作用時(shí)與流體的耦合分析將排除傳統(tǒng)的反復(fù)切割實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品”。 （

6、三）滑翔機(jī)機(jī)翼的空氣動(dòng)力學(xué)研究 圖7 滑翔機(jī)結(jié)構(gòu)采用的模型是DG-1000 滑翔機(jī)機(jī)翼。Zentrum fr Strukturtechnologien, ETH Zrich 最 先采用采用了小變形線(xiàn)彈性模擬了這個(gè)模型，采用MpCCI模擬大變形對(duì)氣流場(chǎng)的影響。 模擬的目標(biāo)：決定不同的機(jī)翼設(shè)計(jì)對(duì)氣動(dòng)性能的影響。 DG-1000 滑翔機(jī)機(jī)翼具有大的機(jī)翼跨度和機(jī)身長(zhǎng)度，機(jī)翼跨度是20米。結(jié)構(gòu)性能是柔性、低阻尼。在計(jì)算分析中采用三種不同前傾斜角分別為-1度，-5度和-10度，如下圖所示 Dehning, C., P. Post, C. Rumpler, K. Wolf, C. Ledermann, F. Hurlimann, P. Ermanni, “Fluid-Strukturkopplungen mit MpCCI,” 2004 圖8 三種不同的前傾角度由于機(jī)翼的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)將隨著前傾角變化而改變?cè)跈C(jī)翼周?chē)牧黧w流動(dòng)，因此將改變其空氣動(dòng)力學(xué)性能。 在模擬過(guò)程中，固體耦合軟件采用ABAQUS有限元軟件，采用S4/S3單元，總的單元數(shù)為37000個(gè)?？紤]材料的大變形，線(xiàn)彈性復(fù)合材料。流體采用FLUENT為耦合的流體計(jì)算軟件，采用了723000個(gè)四面