基于MpCCI的Abaqus和Fluent流固耦合案例
主讲人：mafuyin CAE联盟论坛总监
摘要：通过MpCCI流固耦合接口程序，对某薄壁管道流动中的传热过程进行了Abaqus和Fluent相结合的流固耦合仿真分析。信息介绍了从建模、设置到求解计算和后处理的全过程，对相关研究人员具有参考意义。
1 分析模型
用三维建模软件solidworks建立了一个管径为1m的弯管，结构尺寸如图1a所示，管的结构如图1b所示，流体的模型如图1c所示。值得注意的是，由于拓扑特征的原因，这样的管壁模型无法通过对圆环扫略直接生成，而需先通过对大圆的扫略生成实心的模型(类似于流体模型)，然后进行抽壳得到管壁的模型。用同样的方法对大圆半径减去管壁厚度的圆进行扫略得到流体模型。
图1. 几何模型示意图
a. 尺寸关系 b. 管壁结构 c. 流体模型
速度入口
v=6m/s; Tin=600K 内壁面(耦合面)
压力出口
P=0Pa；Tout=300K
外壁面
图2. 流固耦合传热分析模型示意图
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由于管壁结构和流体的热学行为不同，传热系数等都不一样，所以属于典型的流固耦合传热问题，热学模型如图2所示。即管的一端为流体速度入口，一端为压力出口，给定流体外壁面一个初始温度600K，流体入口速度为6m/s，温度为600K，出口相对大气压力为0Pa，出口温度为300K。需要求解流体和管壁的温度场分布情况。
2 流体模型
将图1c的流体模型以Step格式导入Fluent软件通常使用的前处理器Gambit中，如图3a所示。设置求解器为
，然后划分体网格，网格
尺寸为100mm，类型为六面体单元，一共生成4895个体单元，网格如图3b所示。
a. 导入Gambit软件中的流体模型 b. 流场的网格模型
图3. 流体模型及网格示意图
进行网格划分后，需定义边界条件，在Gambit软件中先分别定义速度入口(VELOCITY_INLET)、压力出口(PRESSURE_OUTLET)和壁面(Wall)三组边界条件，具体参数设置在Fluent软件中进行。然后定义流体属性，名称定义为air，类型为Fluid。这些定义的目的是能够在Fluent软件中识别出这些特征，具体类型和参数都可以在Fluent软件中进行设置和修改。定义完后点击【Export】，选择【Mesh】，选择路径和文件名称并进行输出。
打开Fluent6.3.26或以上的版本，选择3D求解器，点击【File】→【Read】→【Case】，然后选择Gambit中输出的msh文件，即可将网格文件读入Fluent软件中。读入模型后，进行求解参数和条件的设置。
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(1)模型缩放：为了便于分析结果数据特征，统一采用国际单位制进行仿真，点击【Grid】→【Scale】，弹出模型缩放对话框，在单位转换下将原有的m改为mm，模型自动缩小1000倍，然后点击【Scale】，结果如图4所示。需要说明的是因为网格的生成尺寸是按照mm生成的，所以这里需要将网格尺寸缩放为m。
图4. 模型缩放示意图
(2)网格平滑处理：为了保证网格节点之间的连接和过度关系良好，Fluent提供了网格smooth功能，可以通过网格节点调整来调整整体网格。点击【Grid】→【Smooth/Swap】，然后接受默认参数，先后点击【Smooth】和【Swap】，直至出现“Number faces swapped: 0”和“Number faces visited: 0”为止。
(3)网格检查：为了保证计算能顺利进行和保证计算结果的可靠性，需对网格质量进行检查，如果存在负体积网格则计算无法进行。点击【Grid】→【Check】，观察“minimum volume”是否为负，如果不是负值，则结束检查，如果是负值，需进行重新划分网格直至不出现负体积为止。
(4)定义求解器：点击【Define】→【Models】→【Solver】，弹出求解器对话框，接受默认设置，即压力相依、隐式、3D、稳态、完全分析模型，如图5所示。
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图5. 求解器设置示意图
(5)启动能量分析模型：传热分析需启动能量分析模型。点击【Define】→【Models】→【Energy】，勾选能量准则。
(6)设置分析模型，选择“k-epsilon”模型。点击【Define】→【Models】→【Viscous】,然后按照图6进行设置。
图6. 求解模型设置
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(7)定义材料属性：定义为空气即可。点击【Define】→【Materials】，接受默认设置，然后点击
。
(8)定义边界条件：按照在Gambit中设置的面，定义速度进口边界条件、压力出口边界条件和壁面边界条件。【Define】→【Boundary Conditions】，分别按照图7所示进行设置。
速度入口 压力出口
壁面
图7. 边界条件设置
(9)求解参数控制：在求解时需设置求解控制参数，点击【Solve】→【Controls】→【Solution】，打开设置窗口，接受默认设置即可。
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(10)保存文件：将模型文件进行保存，准备进行计算。点击【File】→【Write】→【Case】，保存模型。
3 结构模型
采用达索公司的Abaqus软件进行结构的计算。首先导入图1b所示的管道模型，导入时将模型缩小1000倍，即缩放到m，采用国际单位制进行仿真。导入模型后需进行材料属性、接触条件、分析步等设置，以及需要划分网格，具体过程和步骤如下：
(1)定义耦合面：由于需要进行流固耦合分析，所以要事先设置好耦合面，才能进行流固耦合的相关设置。点击【Tools】→【Surface】→【Create】，在屏幕下方选择区域处将“individually”改为“by angle”，并接受默认角度为20°，然后点击模型的内壁面，所有壁面将会被选中，然后点击【Done】即可。
(2)定义材料属性：进入【Property】模块，点击
按钮，弹出材料属性对
话框，输入材料名称为“Steel”，点击【General】→【Density】，输入密度为6800Kg/m3；点击【Mechanical】→【Elasticity】→【Elastic】，输入杨氏模量为206e9Pa，泊松比为0.3；点击【Mechanical】→【Expansion】，输入扩散系数为1.38e-5；点击【Thermal】→【Conductivity】，定义导热系数为55；点击【Thermal】→【Specific Heat】，输入比热为446。然后定义个均匀实体截面属性，并将所定义的材料属性赋值给模型。
(3)模型装配：进入【Assembly】模块，将模型进行装配，因为后面的设置都是针对装配体的，所有虽然是单一部件，也要进行装配。
(4)分析步：定义稳态传热分析步，设置总分析时间为20s，增量步为20000步，即步长为0.001。如图8所示。
图8. 分析步设置示意图
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(5)定义接触属性：进入【Interaction】模块，点击，选择“Surface film
condition”，点击【Continue】，选择耦合面以外的三个面，设置如图9所示的接触参数。
图9. 接触属性设置示意图
(6)网格划分：设置种子点的单元尺寸为0.025m，划分六面体单元，一共得到23932个单元，如图10所示。
图10. 网格划分示意图
(7)生成计算文件：进入【Job】模块，定义一共job，然后点击Job Manager，
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点击【Write Input】，就可以生成计算所需的inp文件。
4 耦合求解
在得到流体求解模型和结构模型后，可通过MpCCI接口进行流固耦合仿真计算。具体过程和步骤如下：
(1)开启Abaqus、Fluent和MpCCI三个软件的许可服务(如果不是自动开启的话)，然后打开MpCCI软件，配置为Fluent与Abaqus的耦合，并分别读入上文中得到的两个模型文件，如图11所示。
图11. 求解器耦合示意图
(2)设置耦合参数：点击【Next】，进入耦合参数设置界面，将流体的Wall和结构的内壁面设置为耦合面，耦合量为FilmTemp、WallHTCoeff和WallTemp，设置情况如图12所示。
(3)设置求解参数：连续点击两次【Next】，进入求解参数设置界面。按照图13进行设置。
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图12. 耦合参数设置示意图
图13. 求解参数设置示意图
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(4)启动求解：从左到右先后点击三个【Start】，即先后启动MpCCI、Fluent和Abaqus三个程序，出现图14所示界面后在Fluent中对流场进行初始化并开始迭代计算。
图14. 计算准备就绪示意图
5 计算结果
通过进行两个求解器间的数据交换，反复迭代，直至两者之间达到一个稳定的状态后求解收敛，停止计算，计算结果如图15所示。
图15. 耦合壁面能量分布示意图
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从图15可以看出，虽然由于两个软件中网格密度不一样，导致了在网格较稀疏的Fluent模型中能量分布较为粗糙，但数值和云图分布上都基本与Abaqus完全吻合，计算效果较好。
本文对一个大口径弯管及其管中流动的流体之间的换热过程进行了流固耦合模拟，得出了较好的计算结果。主要介绍了在流体软件Fluent和结构软件Abaqus中如何设置，并如何通过MpCCI将两个软件连接起来进行流固耦合分析的全部详细过程，对相关分析人员具有参考价值。
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