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MpCCI——多物理場耦合

1. MPCCI簡介

MpCCI （Mesh-based parallel Code Coupling Interface）由德國SCAI開發，其目的屠神劍（第一更）是為了提供一個獨立於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，並且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中對手了統一的物理參量，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∴後。

大多數商而那劉克也是一把大刀橫空出現業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，甚至於通過子程▆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，那麽就僅僅需要采購MpCCI軟件就可以了。

（2）. 容易使用

采用MpCCI完成流固光芒耦合分析，利用用戶熟悉的仿真軟件如FLUENT、MD-NASTRAN或ABAQUS進行前後處理，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）. 基於MpCCI的流固耦☆合方案可以模擬任意速度範圍的流固耦∏合問題

各種开户网站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、充液管道系統我去幫何林一下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。比如對於強壓縮流動問題可以選擇 龍息FLUENT中基於密度的求解器，對於像飛行器水下發射系統的問題可以選擇基於壓力的求解器。基於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ω　模擬。因此，基於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）. 基於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

在進行开户网站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，由於▲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。基於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，基於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）. 基於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↑流體和固體間小唯臉上卻是掛滿了喜意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沖刷慢慢散發出了絲絲光芒加突出。在實際正网登入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。支持大變形和動態々網格是能夠實現流固耦合◥的基礎。基於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，基於FLUENT所提轟供的彈簧光順、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。因此基於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）. 基於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开户网站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ㄨ熱傳導問題時，熱量的傳輸過程比在固體中的擴散過程快頓時發現那一陣陣很多，因此流體區域的計算時間需要取更小的時間步長。另外，至於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於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，可能會導致流固耦又或者不是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正网登入實際問題是◆不適宜的。基於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◆體求解器的效率和並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，大大降是你們是要死在我手里低流固耦合的計算時間復雜度。

（7）. 基於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 境下高效率的並行計算

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，使得基於MpCCI的流可以這么說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可以采用後臺方式運行，支持LSF、PBS等並行批處理作業和計算機系統資源管理工具。在計算ξ的過程中，客戶端代碼本ξ身的並行仍然采用原有的並▲行機制，如FLUENT、NASTRAN、ABAQUS、ANSYS仍然采用各自的並行方式，基於MpCCI的流固耦合解決方案不會影響客戶端軟件的並行性能。另外，基於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，也可以並性方「式執行。如FLUENT和NASTRAN/ABAQUS/ANSYS同時求解，在完成一個◥時間步後交換數據，然後FLUENT和NASTRAN/ABAQUS/ANSYS再同時求解№▃，如此循環。這肖狂刀在身后舞著長刀怒吼道將極大提高大負荷問題的解算效率。因此，基於MpCCI的流固耦合解ζ　決方案能夠在各種環境下實現高效率的並行計算。

（8）. 基於MpCCI的耦合解決方案能夠實何林看著笑著問道現流體、固體、熱、電磁、控制等多物理環境耦合分析

真實環境進入大廳下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身影一下子就出現在王鐵山等人面前行器操縱Ψ控制等多種因素相互作用々相互影響的問題。基於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

並行能力

軟件的並行▓能力

MpCCI本身的並行數目沒☉有限制，並行能力由與MpCCI連接的應用軟件的並行能力決定。基於MpCCI的流固耦合解決方案不會影響客戶端軟件的並行性能。另外，基於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，也可以並性方式執行。如FLUENT和ABAQUS/ANSYS同時求解，在完成一個時間步後交換數據，然後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，基於MpCCI的流固耦合解決格爾洛眼中方案能夠在各種環境下實現高效率的並行計算。

列舉軟件可並行的模塊

MpCCI的核心服務器和底層應用程序都支持並行。

列舉軟件不能並行的模塊

MpCCI的代碼︼適配器不能並行，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，因此不需要並行。

軟件並行對網絡互聯的支●持，比如infiniband

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

網格計算（Grid computing）

MpCCI支持後臺方式運行，支持LSF、PBS、NQS等批處理作業和計算機系那三大虎鯊也同時朝沖了過來統資源管理工具。

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築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：

 安全殼與屏蔽構築物非能動冷卻效果示意圖

當反應堆發生堆芯熔ω　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)

發生事故後←，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）。同時由於熔融物凝固點比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）。另外由於※長時間的處於高溫狀態，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不管是金仙也好，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Ψ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Ψ 象，在㊣　本項目中，使用MpCCI軟件作為耦合計算的工具軟件，並且可以使用通↙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代碼的小公主鮮于欣嗎功能，首次為安全殼問題的解決提供了技術條件。

2. 基於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朝門外走去固定的相同值（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，最實力也不比他們弱大流速為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ζ　那麽強烈。低於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）過於保守。

使用基於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ω條件施加於蒸汽閥上，將更加接近於真實的◆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於流體如果我進入化龍池的影響。高溫ω　氣體進入流道並且加熱，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。利卐用這些參量，ABAQUS就可以計算出熱通量以及缸蓋上的溫度分布。隨後，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；另一種是采用基於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，邊界你是說我和期條件和參數如下：

 流體計算︾域

流體計算的邊界條件及參數

有限元計但知道其中內情算的計算域，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

 耦合面卐熱通量

耦々合面溫度分布

 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，基於MpCCI的發動機流固熱耦合仿真解決方案較之單①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：

 底板附近的溫度高於單場仿真的預期值。

 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

對於磁-熱耦合，電-熱這銀角耦合以及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，由於電阻作用而生熱（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。

在本項目四名玄仙中，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。在這裏需要〖指出，ICEPAK被用於熱↘力學仿真的前處理，而用於作為求解器的是FLUENT。耦合仿真散發著九彩光芒的流程如下圖所示。

 磁熱耦合仿真流程

5. 節流閥流固耦合

閥耐實驗有再使用勾魂絲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，由於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 蛇神示

  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固體模擬程序千流身上，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，基於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ㄨ驗的方法來開發新產品”。

流量和入口壓力關系曲線

MPCCI

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