多物理场耦合软件MpCCI-多物理场耦合

多物理场耦合软件MpCCI

更新时间：2025-04-23 发布人：海基科技

MpCCI （Mesh-based parallel Code Coupling Interface）是由德国科学计算法则研究所（SCAI）开发出来的，其目的是为了提供一个独立于应用的接口来耦合不同的仿真代码。MpCCI是基于迭代耦合求解技术的一个软件平台，它可以动态即时地交换两个或多个仿真代码在耦合区域的网格之间的数据。一般而言，属于不同仿真代码的网格是互不兼容的，MpCCI需要完成插值。在并行情况下，MpCCI保持对在不同进程网格区域分布的跟踪。

MpCCI允许交换耦合代码之间的任意的物理量，如力、压力、位移、温度、对流换热系数、时间等等。数据交换的复杂细节被隐藏在简洁的MpCCI界面接口之后。大多数商业CFD/FEM软件允许用户通过应用程序接口增加额外的特征、物理模型、边界条件，因而在用户定义子程序内部存取内部数据结构是可能的，甚至于通过子程序参数、全局变量或者通过内部模型来读取和保存数据，MpCCI正是使用这种能力完成和其它商用软件的连接。

1. MpCCI支持的软件

采用客户机\服务器体系结构，客户机和服务器的通信采用TCP/IP协议，使得流固耦合可以运行于任何的主流计算机平台，以及网络环境；
MpCCI支持大部分主流的流体软件和结构软件，直接支持的结构软件包括Ansys，Abaqus，Nastran，Marc；流体软件包括Fluent， ICEPAK，FINE/Open ，FINE/Turbo ，Star-CCM+，OpenFOAM，热辐射软件包括RadTherm/TAITherm，系统软包括Flomaster，MATLAB ，MSC.Adams，SIMPACK，电磁软件包括JMAG。另外，MpCCI软件可通过API接口实现与自研程序的连接。

2. MpCCI的先进求解策略

采用客户机\服务器体系结构，客户机和服务器的通信采用TCP/IP协议，使得流固耦合可以运行于任何的主流计算机平台，以及网络环境；
客户端代码本身的并行仍然采用原有的并行机制，如FLUENT、MARC、ABAQUS仍然采用各自的并行方式，与MpCCI无关；
客户端程序之间可以串行执行，也可以并行执行。如FLUENT和MARC/ABAQUS同时求解，在完成一个时间步后交换数据，然后FLUENT和MARC/ABAQUS再同时求解，如此循环。这将极大提高大负荷问题的解算效率；
第一次实现了CFD和结构分析的市场和技术领导者之间的耦合。
用户可以根据自己应用的需要选择自己认为合适的CFD软件和结构分析软件来完成流固耦合；
问题的设置相互独立，将极大提高流固耦合过程的易用性；
使用熟悉的软件相对独立的设置流体和固体问题；
使用熟悉的、专业的算法来独立地求解每一个域的问题；
采用基于工业标准的耦合接口软件实现进程间的通信和映射。

3. MpCCI软件的先进性和特色

MpCCI作为流固耦合的工业标准受到所有主流CFD和FEM软件厂商的支持，成为事实上的多场耦合工业标准，采用MpCCI作为多场耦合平台具有以下优势：

可以模拟任意速度范围的流固耦合问题
可以求解涉及复杂流动机理的流固耦合问题
可以模拟大位移和大变形的流固耦合问题
能够实现时间异步的流固耦合分析
能够实现高效率的并行计算
能够实现流体、固体、热、电磁、控制等多物理场耦合分析
受到CFD和FEM厂家的广泛支持

4. MpCCI软件的主要应用

目前MpCCI的主要应用领域包括柔性结构变形、涡轮机械、车辆和机器动力学、汽车热管理、电器元件、微电子器件中的热应力分析、制造过程和被动安全、生命科学。成功案例分享如下：

1）汽车热管理
德国科学计算法则研究所（SCAI）采用流体仿真软件Star CCM+、辐射和固体热传导软件TAITherm、耦合软件MpCCI对汽车在驾驶状态下的热分布进行了流体-热耦合分析。

整车热分布前视图整车热分布仰视图

三种耦合方式模拟结果对比

2）发动机机盖冷却分析
采用ABAQUS和FLUENT 结合MpCCI模拟机盖的热耦合问题。ABAQUS采用DC3D4热传导单元290000个，材料是铸铁。FLUENT采用530000的四面体单元。

ABAQUS结构图 FLUENT流体区域图

模拟结果如下图，温度再考虑变形和不变形情况下的明显差异。

没有考虑耦合情况下的模拟结果 考虑耦合情况下的模拟结果

结论：考虑流固耦合情况下，固体内部温度的分布并不是均匀分布于每一个气口的，而且存在很大的差异。

3）涡轮盘和燃烧室的热固耦合分析
涡轮和发动机工作过程中除了承受较大的气动载荷以外，还承受着非常严重的热负荷，因此涡轮和发动机的流固耦合传热分析就变得极为重要。

叶片热固耦合计算模型和结果

4）涡轮叶片冷却分析
比利时的CENAERO研究中心采用MpCCI联合对涡轮叶片的冷却系统进行仿真，其中固体传热计算采用Abaqus，内部流场计算采用用户开发的三维流体求解器Argo，外部流场计算采用涡轮机械专用软件elsA。
在叶片附近的流场温度分布显示出一个V型的冷却区域，这是由叶片和冷却壁附近的二次流的相互作用而产生的。

叶片周围的流场图

结论：考虑流固耦合情况下，固体和流体界面之间的热流和温度是未知的，热边界条件是经过流体和固体反复迭代达到热平衡时的热流和温度条件，通常会使计算精度提高10%。

5）高压压气机整体叶盘模拟
德国科特布斯BTU大学利用MpCCI耦合Fluent和Abaqus，对高压压气机的整体叶盘进行模拟。

叶片的弯曲振动模型叶片的扭转振动模型

6）节流阀流固耦合
世界最领先的阀门公司Vernay公司，应用MpCCI结合ANSYS和FLUENT对气阀进行优化设计。设计目标为：在定制的工程阀上，要求在变化的入口压力条件下得到恒定的流量输出。通过试验值和数值模拟值得比较，MpCCI集合ABAQUS和FLUENT有很好的预测效果。

流量和入口压力关系曲线

7）风电叶片的气弹模拟
比利时Numeca公司利用MpCCI对风力涡轮机的叶片进行气弹模拟，该仿真的目的是研究被动控制的可行性，及调整叶片的复合材料层合结构，以在保证结构强度的前提下增加叶片扭转的灵活性。
结构软件采用Abaqus，流体软件采用Fine/Hexa。计算中采用了两种叶片几何，一种是做参考用的原始几何，一种是做后掠处理后的几何。

叶片表面压力分布叶片周围流场压力等值线

结论：通过分析，确定了最佳的复合材料层合结构以及叶片外形，以得到更大的扭转灵活性，实现被动控制的可能性。

8）机翼气动弹性分析
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ANSYS结构分析软件来求解结构在流场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。
通过MPCCI结合ANSYS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。

不同时刻的机翼变形

9）电弧仿真
电弧是一种气体放电现象，电流通过某些绝缘介质（例如空气）所产生的瞬间火花。电弧是一种自持气体导电（电离气体中的电传导），其大多数载流子为一次电子发射所产生的电子。电弧现象在熔化、焊接、照明、开关设备的工业应用都存在。
采用多物理框架MPCCI，ANSYS Fluent求解流场，ANSYS EMAG计算电磁场。使用MPCCI耦合环境将瞬态ANSYS Fluent流体流动模拟中的量与稳态ANSYS EMAG模拟中的量耦合。

电弧耦合仿真机理 电弧电压随时间变化情况

模拟得到的电弧电压随时间的变化，电弧切断时间与试验吻合。

10）与FLOWMASTER耦合分析复杂流体系统
对于复杂的流体系统如发动机润滑系统，单独利用三维CFD分析将导致非常大的计算量，这一类问题通常用FLOWMASTER软件来模拟，但用FLOWMASTER模拟时需要提供每一个部件的性能参数，但个别部件的参数往往难以获得，这就给FLOWMASTER的模拟带来困难。对于这一类问题，我们可以利用MpCCI将FLUENT和FLOWMASTER耦合起来，实现三维CFD和系统CFD的联合模拟，既减少计算量，又可以保证计算精度。耦合计算可用于润滑系统特殊部件与整个系统的联合仿真，以及二次空气系统涡轮盘壁温求解与空气回路的联合仿真，为涡轮盘腔提供精确的边界条件。如罗尔-罗伊斯公司利用这种方法模拟涡轮冷却系统，宝马公司利用它来模拟发动机冷却系统。