關于ANSYS多物理場求解器MFX若干問題的討論

于復磊++范順昌++沈偉

摘 要：針對典型的ANSYS+CFX多物理場求解過程，分析了多物理場數據交互平臺MFX的基本工作原理。利用平板和水流相互作用的數值模擬算例，從分析流體域網格變形情況的角度討論了建模邊界條件設置等對流固耦合交界面數據交換的影響。研究結果表明建模的一致性對多物理場耦合的有效性和正確性有決定性的作用。本文的工作也可為多物理場雙向耦合研究提供參考。

關鍵詞：多物理場求解 流固耦合 網格 建模 數值模擬

中圖分類號：V24 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（a）-0030-02

多物理場耦合數值模擬是數值模擬技術發展的必然產物，它可以在更接近真實的物理條件下，對相互作用的各物理量分布給出更精確的詮釋，能分析單物理場數值模擬難于解決的問題。以最常見的流固雙向耦合為例，它能夠分析變性固體在流體作用下的變形、振動等力學行為以及固體變形對流場影響，因此廣泛應用于航空航天、水利設施海洋工程等各個領域。由于能夠準確揭示流體與結構相互作用的規律和程度，為工程結構設計、流場優化提供了更科學的方法[1～2]。

和所有多物理場求解技術類似，流固雙向耦合中耦合效應的仿真一直是數值模擬的難點，尤其是解決異構代碼的耦合問題更是如此。經過近年來的發展國際上已經形成了利用第三方數據交換軟件（如MPCCI）耦合ANSYS+CFX、ANSYS+FLU ENT等典型的多物理場數值模擬技術，并形成了ANSYS Workbench等集成數值仿真平臺。國內隨著計算軟件的引入和計算資源的改善也開始了以上計算軟件在多物理場耦合中的應用。但是由于異構的代碼以及第三方軟件均不是自主開發，對各種耦合效應的仿真技術均不完全掌握。此外，由于前處理技術和軟件的限制，不同物理場計算用幾何模型和網格往往來自不同的軟件，建模誤差以及輸入輸入過程幾何特征的丟失難以避免。以上因素不僅制約了多物理場求解技術的應用推廣，也影響了耦合計算有效性和正確性[3～5]。

針對以上情況，本文首先分析了國內常用的ANSYS Workbench中ANSYS CFX耦合數據交互平臺MFX的工作原理。其次，用實際算例分析了邊界設置、建模誤差對耦合仿真效果的影響，研究結果對流固雙向耦合計算以及其他多物理場計算有參考作用。

1 基本原理

由于對代碼的繼承性和使用的靈活性好于將所有物理場放在同一代碼中求解，異構代碼加第三方軟件的多物理場數值仿真技術是當前的主流。以流固雙向耦合為例，CFD和FEM之間的代碼不同，不同物理場的網格互不兼容，使用第三方輔助軟件來完成數據的轉換和傳遞能很好解決代碼異構的問題。ANSYS多場求解器MFX旨在聯合ANSYS Mechanical與CFX解決耦合場問題，功能和算法部分與MPCCI類似，求解器數據傳遞通過標準的網絡接口（TCP/IP），物理場之間載荷傳遞和映射基于CFX GGI技術。如圖1所示MFX采用的一種conservative插值法。通過利用單元分割、像素概念、映射，桶搜索、樹搜索等方法在計算域交界面形成新控制面，發送端和接收端的數據交互傳遞在控制面完成。只要確保流固耦合面能完全重合對應，交界面上的參數數據從全局到局部都能得到精確傳遞，對于流固耦合面不完全對應的情況，conservative插值法會在這些區域設置零值，其他邊界條件等忽略此區域數據的傳遞，從而保證嚴格的守恒傳遞[6]。以上是原理概述，單純的以原理分析并不確定算法實現的效果，需要通過具體實例來體現。

2 算例描述

本文建立了簡單雙向流固耦合計算模型。利用ANSYS Workbench軟件中Geometry模塊分別建立流體域、固體域模型，按照CFX多物理場耦合求解步驟，對邊界條件進行設置。其中，耦合邊界在圖2中流體域與平板接觸的前部、頂部和后部，共3個耦合交界面，采用進口速度出口靜壓的邊界類型。計算總時間1 s，時間步長0.1 s。對流固計算域重合、邊界條件設置等工程應用中可能遇到的情況分別進行了簡化處理和仿真計算，以流體域網格變形為判斷依據，結合耦合平臺工作原理對結果進行分析。

3 結果分析

3.1 邊界條件設置正確，域耦合交界完全重合

為參照起見，本例中給出了正常情況下進行雙向流固耦合計算，流體域網格變形的結果。從圖3流體域網格變形情況來看，耦合交界面處壓力和位移信息交換傳遞良好，計算結果可信，可以作為其他幾種情況的參照。

3.2 邊界條件設置正確，域耦合交界面部分重合

圖4給出了耦合交界面僅發生在固體域的前、后兩個表面，在固體域頂部與流體域不重合的情況下進行雙向流固耦合計算，流體域網格變形的結果。結果顯示，流體域在前后兩個耦合交界面處網格變化正常，但是在沒有重合的兩個耦合面之間也有位移信息傳遞的跡象，只是這種傳遞并不精確，與固體域頂部對應的流體域的網格位移相比固體域明顯發生滯后。

針對這種耦合面部分不重合的情況，求解器有相應的冗余誤差設置，本例中耦合面距離誤差已經超過軟件誤差容忍度，因此，出現了網格變化不同步的現象，實踐證明這種情況常常會使網格發生嚴重畸變，使計算中止。

3.3 邊界條件設置正確，域耦合交界面完全不重合

圖5給出了在邊界條件設置正確，所有耦合交界面不重合的兩種情況下進行雙向流固耦合計算，流體域網格的變形情況。在這兩種情況下，流體域網格均沒有發生任何變形，原因是：耦合計算時，流體分析軟件起主導和控制作用，本例中首先由流體軟件CFX初始化流場，初始化后MFX首先將耦合區域的受力傳遞給固體分析軟件，與上例不同的是本例中耦合交界面完全沒有重合，固體域在耦合交界面處網格節點接收不到任何壓力信息，壓力和位移信息無法交互傳遞，所以流場的網格也就沒有變化。

3.4 邊界條件設置不正確，域耦合交界面不重合endprint

圖6給出了固體域的頂面沒有設置成流固耦合面，也沒有與流體域重合，耦合交界面僅發生在固體域的前、后兩個表面時，流體域網格的變形情況。圖6整體看網格變形嚴重扭曲，與固體域頂面對應的部分流體域網格雖發生了變形，但與圖4此部分流體域相比網格變形較小。原因是：這種情況與耦合邊界完全沒有重合的情況一樣，固體域頂部沒有設置成耦合面，不會有壓力和位移信息的交互傳遞，只是這部分流體域的網格節點受到節點間算法總的影響發生了小變形。

工程實踐中流固耦合分析遇到的問題往往是圖3～圖6中的一種情況或幾種情況的組合。出現問題的主要原因是流體和結構計算模型在耦合邊界的重合度不易控制，建模中流體和結構模型產生了尺寸誤差，這種誤差會給計算結果帶來一定程度的影響。

4 結論

以第三方軟件為數據交互平臺的多物理場耦合數值模擬，只有在耦合交界面、邊界條件設置正確的情況下，才能保證數據傳遞準確，建模誤差會給計算帶來不同程度的影響。因此，進行多物理場耦合計算時，要盡量確保不同計算域建模的一致性、準確性。

針對耦合邊界重合難的問題，盡管軟件有冗余誤差設置等，但流體和結構網格變形仍舊難以協調，由此產生的各種錯誤不同，需具體分析。

參考文獻

[1] 張小偉.渦輪機械葉片流固耦合數值計算方法[J].航空動力學報，2009，24（7）：1622-1627.

[2] 陶海亮.壓氣機葉片流固耦合數值計算[J]，航空動力學報，2012，5（27）：1000-8055.

[3] 曾強.壓氣機轉子葉片流固耦合計算及軟件集成研究[D].南京航空航天大學，2006.

[4] 徐敏，史忠軍，陳士櫓.一種流體-結構耦合計算問題的網格數據交換方法[J].西北工業大學學報，2003，27（5）.

[5] Volker Carstens，Ralf Kemme， Stefan Schmitt，Coupled simulation of flow-structure interaction in turbomachinery. Aerospace Science and Technology， 2003：298-306.

[6] 宋學官，蔡林，張華.ANSYS流固耦合分析與工程實例[M].中國水利水電出版社，2012.endprint

圖6給出了固體域的頂面沒有設置成流固耦合面，也沒有與流體域重合，耦合交界面僅發生在固體域的前、后兩個表面時，流體域網格的變形情況。圖6整體看網格變形嚴重扭曲，與固體域頂面對應的部分流體域網格雖發生了變形，但與圖4此部分流體域相比網格變形較小。原因是：這種情況與耦合邊界完全沒有重合的情況一樣，固體域頂部沒有設置成耦合面，不會有壓力和位移信息的交互傳遞，只是這部分流體域的網格節點受到節點間算法總的影響發生了小變形。

工程實踐中流固耦合分析遇到的問題往往是圖3～圖6中的一種情況或幾種情況的組合。出現問題的主要原因是流體和結構計算模型在耦合邊界的重合度不易控制，建模中流體和結構模型產生了尺寸誤差，這種誤差會給計算結果帶來一定程度的影響。

4 結論

以第三方軟件為數據交互平臺的多物理場耦合數值模擬，只有在耦合交界面、邊界條件設置正確的情況下，才能保證數據傳遞準確，建模誤差會給計算帶來不同程度的影響。因此，進行多物理場耦合計算時，要盡量確保不同計算域建模的一致性、準確性。

針對耦合邊界重合難的問題，盡管軟件有冗余誤差設置等，但流體和結構網格變形仍舊難以協調，由此產生的各種錯誤不同，需具體分析。

參考文獻

[1] 張小偉.渦輪機械葉片流固耦合數值計算方法[J].航空動力學報，2009，24（7）：1622-1627.

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[5] Volker Carstens，Ralf Kemme， Stefan Schmitt，Coupled simulation of flow-structure interaction in turbomachinery. Aerospace Science and Technology， 2003：298-306.

[6] 宋學官，蔡林，張華.ANSYS流固耦合分析與工程實例[M].中國水利水電出版社，2012.endprint

圖6給出了固體域的頂面沒有設置成流固耦合面，也沒有與流體域重合，耦合交界面僅發生在固體域的前、后兩個表面時，流體域網格的變形情況。圖6整體看網格變形嚴重扭曲，與固體域頂面對應的部分流體域網格雖發生了變形，但與圖4此部分流體域相比網格變形較小。原因是：這種情況與耦合邊界完全沒有重合的情況一樣，固體域頂部沒有設置成耦合面，不會有壓力和位移信息的交互傳遞，只是這部分流體域的網格節點受到節點間算法總的影響發生了小變形。

工程實踐中流固耦合分析遇到的問題往往是圖3～圖6中的一種情況或幾種情況的組合。出現問題的主要原因是流體和結構計算模型在耦合邊界的重合度不易控制，建模中流體和結構模型產生了尺寸誤差，這種誤差會給計算結果帶來一定程度的影響。

4 結論

以第三方軟件為數據交互平臺的多物理場耦合數值模擬，只有在耦合交界面、邊界條件設置正確的情況下，才能保證數據傳遞準確，建模誤差會給計算帶來不同程度的影響。因此，進行多物理場耦合計算時，要盡量確保不同計算域建模的一致性、準確性。

針對耦合邊界重合難的問題，盡管軟件有冗余誤差設置等，但流體和結構網格變形仍舊難以協調，由此產生的各種錯誤不同，需具體分析。

參考文獻

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[3] 曾強.壓氣機轉子葉片流固耦合計算及軟件集成研究[D].南京航空航天大學，2006.

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[5] Volker Carstens，Ralf Kemme， Stefan Schmitt，Coupled simulation of flow-structure interaction in turbomachinery. Aerospace Science and Technology， 2003：298-306.

[6] 宋學官，蔡林，張華.ANSYS流固耦合分析與工程實例[M].中國水利水電出版社，2012.endprint