韓業(yè)鵬 張群 劉新橋 梁磊

摘要：

為突破傳統(tǒng)商業(yè)軟件流固耦合分析僅局限于內(nèi)部預(yù)先集成的流體和結(jié)構(gòu)求解器的約束，使流固耦合分析更具開放性和可拓展性，以耦合驅(qū)動程序INTESIMGISCI為框架體系，在開源流體求解器SU2的源代碼上加入時間同步點和相關(guān)函數(shù)功能形成INTESIMSU2，使INTESIMSU2可以與原有的結(jié)構(gòu)求解器INTESIMStructure通過耦合界面?zhèn)鬟f數(shù)據(jù)的方式進行耦合分析，從而實現(xiàn)基于耦合驅(qū)動程序INTESIMGISCI的流固耦合仿真軟件開發(fā)。將多個流固耦合分析案例與其他商業(yè)軟件進行對比，證明基于INTESIMGISCI的流固耦合仿真軟件可廣泛應(yīng)用于實際工程問題的仿真分析。

關(guān)鍵詞：

求解器間耦合； 流固耦合； 串行； 并行； 映射； 插值

中圖分類號： TP391.92

文獻標志碼： B

Technique and application of fluidsolid coupling simulation

software based on INTESIMGISCI

HAN Yepeng1， ZHANG Qun1， LIU Xinqiao2， LIANG Lei1

（

1. INTESIM（Dalian） Co.， Ltd.， Dalian 116023， Liaoning， China； 2. School of Aerospace Engineer，

Tsinghua University， Beijing 100084， China）

Abstract：

To break through the constraint that the traditional commercial software only provides the preintegrated fluid and structure solvers for fluidsolid interaction analysis， and make the fluidsolid interaction analysis more open and expansible， the time synchronization points and functions are added to the source code of open solver SU2 to form INTESIMSU2 using the coupling driver INTESIMGISCI as the framework system. INTESIMSU2 can be coupled with the original structure solver INTESIMStructure through the coupling interface to transfer data. The fluidsolid coupling simulation software based on the coupling driver INTESIMGISCI is developed. Several cases of fluidsolid coupling analysis are compared with other commercial software. The results show that the fluidsolid coupling simulation software based on INTESIMGISCI can be widely used in practical engineering issues.

Key words：

intersolver coupling； fluidsolid coupling； serialization； parallel； mapping； interpolation

0 引 言

近年來，流固耦合分析研究和應(yīng)用飛速發(fā)展，在多個行業(yè)領(lǐng)域均有很強的需求，因此急需一款高通用性、高精度、高效率且易于使用的流固耦合仿真軟件。由國外公司開發(fā)的傳統(tǒng)流固耦合仿真軟件往往開放性不好，流固耦合分析僅局限于其內(nèi)部預(yù)先集成的流體和結(jié)構(gòu)求解器，如美國ANSYS公司開發(fā)的ANSYS Workbench[1]、美國COMSOL公司開發(fā)的COMSOL Multiphysics[2]，以及美國ADINA公司開發(fā)的ADINA[3]，都僅支持內(nèi)部預(yù)設(shè)的流體和結(jié)構(gòu)求解器進行耦合分析，用戶必須熟練使用這些流體和結(jié)構(gòu)求解器才能順利地進行流固耦合分析。這對一些擁有自研軟件和開源軟件而又想利用上述軟件進行流固耦合分析的高級用戶造成極大的不便，嚴重限制流固耦合仿真的推廣和應(yīng)用。

中國CAE軟件自主研發(fā)企業(yè)英特仿真經(jīng)過多年的潛心研發(fā)，建立一整套以耦合驅(qū)動程序INTESIMGISCI為核心的求解器間耦合框架體系。[4]在此基礎(chǔ)上，通過在自研軟件或開源軟件上加入時間同步點和相關(guān)函數(shù)等功能，可以自由地集成自研軟件或開源軟件的流體和結(jié)構(gòu)求解器，并使用第三方流體或結(jié)構(gòu)求解器進行求解器間耦合分析。以INTESIMGISCI為核心的求解器間耦合關(guān)鍵技術(shù)，如時間同步技術(shù)和映射搜尋插值技術(shù)等，具備較高的應(yīng)用價值。

SU2是美國斯坦福大學(xué)航空航天學(xué)院開發(fā)的一款開源計算流體力學(xué)求解器，可進行從低速不可壓縮流體到高超聲速流體的計算，具備動網(wǎng)格和網(wǎng)格自適應(yīng)功能，甚至還可開展諸如多物理場模擬、多組分流動模擬、燃燒模擬、氣動噪聲模擬、兩相流模擬、磁流體模擬、等離子體流動模擬及優(yōu)化等，具有較高的計算精度和計算效率。因此，選擇開源流體求解器SU2作為集成對象，在SU2源代碼上加入時間同步點和相關(guān)函數(shù)功能形成INTESIMSU2，以耦合驅(qū)動程序INTESIMGISCI為核心驅(qū)動，

與英特仿真原有的結(jié)構(gòu)求解器INTESIMStructure進行

流固耦合仿真，從而實現(xiàn)基于耦合驅(qū)動程序INTESIMGISCI的流固耦合仿真軟件開發(fā)。為驗證基于耦合驅(qū)動程序INTESIMGISCI的流固耦合仿真軟件的計算精度，采用多個流固耦合分析案例與商業(yè)軟件ANSYS Workbench進行對比，仿真結(jié)果基本一致，說明基于耦合驅(qū)動程序INTESIMGISCI的流固耦合仿真軟件具備良好的開放性，計算精度較高，可以廣泛應(yīng)用于實際工程項目的流固耦合仿真。

1 求解器間耦合技術(shù)

求解器間耦合技術(shù)是一種弱耦合實現(xiàn)方法。[5]每一個耦合分析中的物理場模型均可以采用相同或不同的求解器在計算機不同的進程中求解，驅(qū)動程序也與各物理場求解器程序同時運行，用于控制全局耦合進程。

INTESIMGISCI支持的求解器間耦合技術(shù)實現(xiàn)方式分為串行耦合和并行耦合，見圖1。串行耦合是指單場求解器間采用順序獨立求解方式，每個單場求解器總是從前一個順序求解的單場求解器獲取最新的耦合界面載荷信息。并行耦合是指在耦合仿真分析過程中各個單場求解器同時啟動、并行求解，并且在各個單場求解器上施加上一次并行耦合獲得的耦合界面載荷信息。串行耦合方法通常會比并行耦合方法收斂性更好，而并行耦合方法各物理場的求解可以同時并行推進，所以求解效率高于串行耦合。

求解器間耦合技術(shù)無論采用串行耦合還是采用并行耦合，耦合驅(qū)動程序與各單場求解器在不同計算機進程中同時啟動，每一個單場求解器求解各自的物理場模型。耦合驅(qū)動程序用于控制耦合時間步循環(huán)、非線性耦合迭代循環(huán)，以及載荷傳遞的收斂性等。

2 單場求解器支持求解器間耦合技術(shù)

為支持求解器間耦合技術(shù)，單場求解器代碼本身需要具備一定的條件，并且還需要在單場求解器中加入部分代碼以滿足與耦合控制程序和其他單場求解器間的數(shù)據(jù)傳輸和通信需求。單場求解器支持求解器間耦合技術(shù)的關(guān)鍵點在于：（1）單場求解器需要支持相同時間步的反復(fù)迭代計算；（2）需要在單場求解器中加入特定形式的輸入輸出函數(shù)功能，用于輸入或輸出耦合控制信息和耦合界面耦合數(shù)據(jù)信息；（3）單場求解器需要鏈接提供的映射插值庫和通信庫；（4）單場求解器需要在每個時間同步點上插入傳遞耦合數(shù)據(jù)的函數(shù)調(diào)用。

以上4個關(guān)鍵點中，關(guān)鍵點（2）是單場求解器支持求解器間耦合技術(shù)程序開發(fā)的核心。以集成的開源流體求解器SU2為例，在SU2源代碼上加入特定形式的輸入輸出函數(shù)功能如下：（1）建立getMesh函數(shù)用于從INTESIMStructure獲得耦合界面網(wǎng)格用于數(shù)據(jù)傳遞；（2）構(gòu)造MeshData類用于存儲網(wǎng)格數(shù)據(jù)；（3）建立getSolution函數(shù)用于從INTESIMSU2獲取仿真結(jié)果數(shù)組；（4）建立putSolution函數(shù)用于將仿真結(jié)果數(shù)組傳遞給INTESIMStructure求解器。

3 映射搜尋插值技術(shù)

映射搜尋插值技術(shù)是求解器間耦合的關(guān)鍵技術(shù)之一。對于流固耦合分析，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和流體網(wǎng)格在耦合界面上的單元尺度通常相差很大，流體與結(jié)構(gòu)在耦合界面上的相互作用以載荷傳遞的方式通過耦合界面的映射搜尋插值算法實現(xiàn)，因此映射搜尋插值技術(shù)的優(yōu)劣直接影響耦合數(shù)據(jù)傳遞的精度，最終決定流固耦合分析仿真結(jié)果的精度。[7]

INTESIMGISCI具有可靠的映射搜尋插值技術(shù)體系，其中：映射技術(shù)包括點云映射、基于Bucket的節(jié)點到單元映射和控制面映射；搜尋技術(shù)包括二分搜尋方法、Bucket搜尋方法和八叉樹搜尋方法；插值技術(shù)包括線性插值和基于控制面插值；傳遞數(shù)據(jù)類型分為全局守恒型和分布保持型2種。[4]INTESIMGISCI可以根據(jù)載荷傳遞的物理量自動匹配適應(yīng)的映射搜尋插值算法和數(shù)據(jù)類型，INTESIMGISCI用于流固耦合分析的映射搜尋插值技術(shù)體系見表1。

4 流固耦合分析案例對比

ANSYS Workbench的System Coupling是求解器間耦合驅(qū)動程序模塊，可以驅(qū)動ANSYS體系下的流體求解器FLUENT和結(jié)構(gòu)求解器Mechanical進行流固耦合分析。在此，采用同樣的流固耦合案例網(wǎng)格和載荷邊界條件，與INTESIMGISCI流固耦合仿真結(jié)果進行對比，驗證基于耦合驅(qū)動程序INTESIMGISCI的流固耦合仿真軟件的計算精度。

案例1為風洞中的柔體墻。風洞底端固定柔體墻，通道和墻體尺寸示意見圖2。風洞左側(cè)入口有速度為306.27 m/s（0.9 Ma）的高速氣流吹入，進行穩(wěn)態(tài)雙向流固耦合分析，監(jiān)測柔體墻沿來流方向的頂端位移。INTESIM與ANSYS仿真結(jié)果對比見表2，二者之間的相對誤差僅為3.41%。通過后處理軟件分別觀測流體場和結(jié)構(gòu)場的關(guān)鍵結(jié)果，包括流體的壓力和速度分布、結(jié)構(gòu)變形等，發(fā)現(xiàn)二者其他的仿真結(jié)果也基本一致。

當飛行器的飛行速度超過一定值時，升力機構(gòu)會發(fā)生顫振現(xiàn)象。將升力機構(gòu)底端固定，不斷提高來流速度進行瞬態(tài)雙向流固耦合分析，監(jiān)測升力機構(gòu)垂直于來流方向的頂端位移，判斷升力機構(gòu)發(fā)生顫振時的臨界速度。當來流速度為204.18 m/s（0.6 Ma）時，INTESIMGISCI與ANSYS對升力機構(gòu)垂直于來流方向的頂端位移仿真結(jié)果對比見圖4。

在前幾個周期比較接近；之后由于受到各自單場求

解器，如收斂標準、阻尼等差異的影響，耦合仿真結(jié)

果的差異逐漸增大，但位移整體衰減趨勢一致。

無論是從INTESIM仿真結(jié)果還是ANSYS仿真結(jié)果，均可以明確判斷出此時升力機構(gòu)尚未達到臨界顫振速度，仍需提高來流速度繼續(xù)尋找臨界顫振速度。

此外，采用一系列其他經(jīng)典模型，如AGARD wing 445.6，NACA0012等，從流場壓力和速度分布、結(jié)構(gòu)變形響應(yīng)等多方面出發(fā)，驗證INTESIM和ANSYS流固耦合仿真結(jié)果的精度，對比結(jié)果均表明基于INTESIMGISCI的流固耦合仿真軟件與商業(yè)軟件ANSYS的仿真結(jié)果基本接近，可以用于實際工程問題的仿真分析。

5 結(jié)束語

以耦合驅(qū)動程序INTESIMGISCI為核心程序間耦合框架體系，在流體求解器SU2的開源代碼上加入時間同步點和相關(guān)函數(shù)功能形成INTESIMSU2，與原有的INTESIMStructure結(jié)構(gòu)求解器共同實現(xiàn)基于耦合驅(qū)動程序INTESIMGISCI的流固耦合仿真軟件開發(fā)。采用多個流固耦合分析案例與商業(yè)軟件ANSYS進行對比，驗證基于INTESIMGISCI的流固耦合仿真軟件仿真結(jié)果的可靠性。

以耦合驅(qū)動程序INTESIMGISCI為核心的程序間耦合框架體系具備良好的開放性和可拓展性，基于通用的求解器間耦合技術(shù)和單場求解器支持求解器間耦合技術(shù)，可以廣泛集成流體、結(jié)構(gòu)、電磁、多體動力學(xué)等多學(xué)科的開源軟件、自研軟件和具備耦合接口的商業(yè)軟件，使高級用戶可不必局限于某些特定的耦合分析軟件或單場求解器。

參考文獻：

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（編輯 武曉英）