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(kāi)放性和可拓展性，以耦合驅(qū)動(dòng)程序INTESIMGISCI為框架體系，在開(kāi)源流體求解器SU2的源代碼上加入時(shí)間同步點(diǎn)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(guò)耦合界面?zhèn)鬟f數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行耦合分析，從而實(shí)現(xiàn)基于耦合驅(qū)動(dòng)程序INTESIMGISCI的流固耦合仿真軟件開(kāi)發(fā)。將多個(gè)流固耦合分析案例與其他商業(yè)軟件進(jìn)行對(duì)比，證明基于INTESIMGISCI的流固耦合仿真軟件可廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程問(wèn)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(lèi)號(hào)： TP391.92

文獻(xiàn)標(biāo)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(lái)，流固耦合分析研究和應(yīng)用飛速發(fā)展，在多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域均有很強(qiáng)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(guó)外公司開(kāi)發(fā)的傳統(tǒng)流固耦合仿真軟件往往開(kāi)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(guó)ANSYS公司開(kāi)發(fā)的ANSYS Workbench[1]、美國(guó)COMSOL公司開(kāi)發(fā)的COMSOL Multiphysics[2]，以及美國(guó)ADINA公司開(kāi)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(jìn)行耦合分析，用戶(hù)必須熟練使用這些流體和結(jié)構(gòu)求解器才能順利地進(jìn)行流固耦合分析。這對(duì)一些擁有自研軟件和開(kāi)源軟件而又想利用上述軟件進(jìn)行流固耦合分析的高級(jí)用戶(hù)造成極大的不便，嚴(yán)重限制流固耦合仿真的推廣和應(yīng)用。

中國(guó)CAE軟件自主研發(fā)企業(yè)英特仿真經(jīng)過(guò)多年的潛心研發(fā)，建立一整套以耦合驅(qū)動(dòng)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(guò)在自研軟件或開(kāi)源軟件上加入時(shí)間同步點(diǎn)和相關(guān)函數(shù)等功能，可以自由地集成自研軟件或開(kāi)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(jìn)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(shí)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(jià)值。

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

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

流固耦合仿真，從而實(shí)現(xiàn)基于耦合驅(qū)動(dòng)程序INTESIMGISCI的流固耦合仿真軟件開(kāi)發(fā)。為驗(yàn)證基于耦合驅(qū)動(dòng)程序INTESIMGISCI的流固耦合仿真軟件的計(jì)算精度，采用多個(gè)流固耦合分析案例與商業(yè)軟件ANSYS Workbench進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果基本一致，說(shuō)明基于耦合驅(qū)動(dòng)程序INTESIMGISCI的流固耦合仿真軟件具備良好的開(kāi)放性，計(jì)算精度較高，可以廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)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(shí)現(xiàn)方法。[5]每一個(gè)耦合分析中的物理場(chǎng)模型均可以采用相同或不同的求解器在計(jì)算機(jī)不同的進(jìn)程中求解，驅(qū)動(dòng)程序也與各物理場(chǎng)求解器程序同時(shí)運(yùn)行，用于控制全局耦合進(jìn)程。

INTESIMGISCI支持的求解器間耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式分為串行耦合和并行耦合，見(jiàn)圖1。串行耦合是指單場(chǎng)求解器間采用順序獨(dú)立求解方式，每個(gè)單場(chǎng)求解器總是從前一個(gè)順序求解的單場(chǎng)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(guò)程中各個(gè)單場(chǎng)求解器同時(shí)啟動(dòng)、并行求解，并且在各個(gè)單場(chǎng)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(huì)比并行耦合方法收斂性更好，而并行耦合方法各物理場(chǎng)的求解可以同時(shí)并行推進(jìn)，所以求解效率高于串行耦合。

求解器間耦合技術(shù)無(wú)論采用串行耦合還是采用并行耦合，耦合驅(qū)動(dòng)程序與各單場(chǎng)求解器在不同計(jì)算機(jī)進(jìn)程中同時(shí)啟動(dòng)，每一個(gè)單場(chǎng)求解器求解各自的物理場(chǎng)模型。耦合驅(qū)動(dòng)程序用于控制耦合時(shí)間步循環(huán)、非線(xiàn)性耦合迭代循環(huán)，以及載荷傳遞的收斂性等。

2 單場(chǎng)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(chǎng)求解器代碼本身需要具備一定的條件，并且還需要在單場(chǎng)求解器中加入部分代碼以滿(mǎn)足與耦合控制程序和其他單場(chǎng)求解器間的數(shù)據(jù)傳輸和通信需求。單場(chǎng)求解器支持求解器間耦合技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)在于：（1）單場(chǎng)求解器需要支持相同時(shí)間步的反復(fù)迭代計(jì)算；（2）需要在單場(chǎng)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(chǎng)求解器需要鏈接提供的映射插值庫(kù)和通信庫(kù)；（4）單場(chǎng)求解器需要在每個(gè)時(shí)間同步點(diǎn)上插入傳遞耦合數(shù)據(jù)的函數(shù)調(diào)用。

以上4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)中，關(guān)鍵點(diǎn)（2）是單場(chǎng)求解器支持求解器間耦合技術(shù)程序開(kāi)發(fā)的核心。以集成的開(kāi)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(lèi)用于存儲(chǔ)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(duì)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(guò)耦合界面的映射搜尋插值算法實(shí)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(diǎn)云映射、基于Bucket的節(jié)點(diǎn)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(shù)搜尋方法；插值技術(shù)包括線(xiàn)性插值和基于控制面插值；傳遞數(shù)據(jù)類(lèi)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(dòng)匹配適應(yīng)的映射搜尋插值算法和數(shù)據(jù)類(lèi)型，INTESIMGISCI用于流固耦合分析的映射搜尋插值技術(shù)體系見(jiàn)表1。

4 流固耦合分析案例對(duì)比

ANSYS Workbench的System Coupling是求解器間耦合驅(qū)動(dòng)程序模塊，可以驅(qū)動(dòng)ANSYS體系下的流體求解器FLUENT和結(jié)構(gòu)求解器Mechanical進(jìn)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(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證基于耦合驅(qū)動(dòng)程序INTESIMGISCI的流固耦合仿真軟件的計(jì)算精度。

案例1為風(fēng)洞中的柔體墻。風(fēng)洞底端固定柔體墻，通道和墻體尺寸示意見(jiàn)圖2。風(fēng)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(jìn)行穩(wěn)態(tài)雙向流固耦合分析，監(jiān)測(cè)柔體墻沿來(lái)流方向的頂端位移。INTESIM與ANSYS仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2，二者之間的相對(duì)誤差僅為3.41%。通過(guò)后處理軟件分別觀測(cè)流體場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)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(dāng)飛行器的飛行速度超過(guò)一定值時(shí)，升力機(jī)構(gòu)會(huì)發(fā)生顫振現(xiàn)象。將升力機(jī)構(gòu)底端固定，不斷提高來(lái)流速度進(jìn)行瞬態(tài)雙向流固耦合分析，監(jiān)測(cè)升力機(jī)構(gòu)垂直于來(lái)流方向的頂端位移，判斷升力機(jī)構(gòu)發(fā)生顫振時(shí)的臨界速度。當(dāng)來(lái)流速度為204.18 m/s（0.6 Ma）時(shí)，INTESIMGISCI與ANSYS對(duì)升力機(jī)構(gòu)垂直于來(lái)流方向的頂端位移仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖4。

在前幾個(gè)周期比較接近；之后由于受到各自單場(chǎng)求

解器，如收斂標(biāo)準(zhǔn)、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(shì)一致。

無(wú)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(shí)升力機(jī)構(gòu)尚未達(dá)到臨界顫振速度，仍需提高來(lái)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(chǎng)壓力和速度分布、結(jié)構(gòu)變形響應(yīng)等多方面出發(fā)，驗(yàn)證INTESIM和ANSYS流固耦合仿真結(jié)果的精度，對(duì)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(shí)際工程問(wèn)題的仿真分析。

5 結(jié)束語(yǔ)

以耦合驅(qū)動(dòng)程序INTESIMGISCI為核心程序間耦合框架體系，在流體求解器SU2的開(kāi)源代碼上加入時(shí)間同步點(diǎn)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(shí)現(xiàn)基于耦合驅(qū)動(dòng)程序INTESIMGISCI的流固耦合仿真軟件開(kāi)發(fā)。采用多個(gè)流固耦合分析案例與商業(yè)軟件ANSYS進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)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(dòng)程序INTESIMGISCI為核心的程序間耦合框架體系具備良好的開(kāi)放性和可拓展性，基于通用的求解器間耦合技術(shù)和單場(chǎng)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(dòng)力學(xué)等多學(xué)科的開(kāi)源軟件、自研軟件和具備耦合接口的商業(yè)軟件，使高級(jí)用戶(hù)可不必局限于某些特定的耦合分析軟件或單場(chǎng)求解器。

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（編輯 武曉英）