基于INTESIM睪ISCI的流固耦合仿真软件技术及应用

韩业鹏 张群 刘新桥 梁磊

摘要：

为突破传统商业软件流固耦合分析仅局限于内部预先集成的流体和结构求解器的约束，使流固耦合分析更具开放性和可拓展性，以耦合驱动程序INTESIMGISCI为框架体系，在开源流体求解器SU2的源代码上加入时间同步点和相关函数功能形成INTESIMSU2，使INTESIMSU2可以与原有的结构求解器INTESIMStructure通过耦合界面传递数据的方式进行耦合分析，从而实现基于耦合驱动程序INTESIMGISCI的流固耦合仿真软件开发。将多个流固耦合分析案例与其他商业软件进行对比，证明基于INTESIMGISCI的流固耦合仿真软件可广泛应用于实际工程问题的仿真分析。

关键词：

求解器间耦合； 流固耦合； 串行； 并行； 映射； 插值

中图分类号： TP391.92

文献标志码： 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应用飞速发展，在多个行业领域均有很强的需求，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软件。由国外公司开发的传统流固耦合仿真软件往往开放性不好，流固耦合分析仅局限于其内部预先集成的流体和结构求解器，如美国ANSYS公司开发的ANSYS Workbench[1]、美国COMSOL公司开发的COMSOL Multiphysics[2]，以及美国ADINA公司开发的ADINA[3]，都仅支持内部预设的流体和结构求解器进行耦合分析，用户必须熟练使用这些流体和结构求解器才能顺利地进行流固耦合分析。这对一些拥有自研软件和开源软件而又想利用上述软件进行流固耦合分析的高级用户造成极大的不便，严重限制流固耦合仿真的推广和应用。

中国CAE软件自主研发企业英特仿真经过多年的潜心研发，建立一整套以耦合驱动程序INTESIMGISCI为核心的求解器间耦合框架体系。[4]在此基础上，通过在自研软件或开源软件上加入时间同步点和相关函数等功能，可以自由地集成自研软件或开源软件的流体和结构求解器，并使用第三方流体或结构求解器进行求解器间耦合分析。以INTESIMGISCI为核心的求解器间耦合关键技术，如时间同步技术和映射搜寻插值技术等，具备较高的应用价值。

SU2是美国斯坦福大学航空航天学院开发的一款开源计算流体力学求解器，可进行从低速不可压缩流体到高超声速流体的计算，具备动网格和网格自适应功能，甚至还可开展诸如多物理场模拟、多组分流动模拟、燃烧模拟、气动噪声模拟、两相流模拟、磁流体模拟、等离子体流动模拟及优化等，具有较高的计算精度和计算效率。因此，选择开源流体求解器SU2作为集成对象，在SU2源代码上加入时间同步点和相关函数功能形成INTESIMSU2，以耦合驱动程序INTESIMGISCI为核心驱动，

与英特仿真原有的结构求解器INTESIMStructure进行

流固耦合仿真，从而实现基于耦合驱动程序INTESIMGISCI的流固耦合仿真软件开发。为验证基于耦合驱动程序INTESIMGISCI的流固耦合仿真软件的计算精度，采用多个流固耦合分析案例与商业软件ANSYS Workbench进行对比，仿真结果基本一致，说明基于耦合驱动程序INTESIMGISCI的流固耦合仿真软件具备良好的开放性，计算精度较高，可以广泛应用于实际工程项目的流固耦合仿真。

1 求解器间耦合技术

求解器间耦合技术是一种弱耦合实现方法。[5]每一个耦合分析中的物理场模型均可以采用相同或不同的求解器在计算机不同的进程中求解，驱动程序也与各物理场求解器程序同时运行，用于控制全局耦合进程。

INTESIMGISCI支持的求解器间耦合技术实现方式分为串行耦合和并行耦合，见图1。串行耦合是指单场求解器间采用顺序独立求解方式，每个单场求解器总是从前一个顺序求解的单场求解器获取最新的耦合界面载荷信息。并行耦合是指在耦合仿真分析过程中各个单场求解器同时启动、并行求解，并且在各个单场求解器上施加上一次并行耦合获得的耦合界面载荷信息。串行耦合方法通常会比并行耦合方法收敛性更好，而并行耦合方法各物理场的求解可以同时并行推进，所以求解效率高于串行耦合。

求解器间耦合技术无论采用串行耦合还是采用并行耦合，耦合驱动程序与各单场求解器在不同计算机进程中同时启动，每一个单场求解器求解各自的物理场模型。耦合驱动程序用于控制耦合时间步循环、非线性耦合迭代循环，以及载荷传递的收敛性等。

2 单场求解器支持求解器间耦合技术

为支持求解器间耦合技术，单场求解器代码本身需要具备一定的条件，并且还需要在单场求解器中加入部分代码以满足与耦合控制程序和其他单场求解器间的数据传输和通信需求。单场求解器支持求解器间耦合技术的关键点在于：（1）单场求解器需要支持相同时间步的反复迭代计算；（2）需要在单场求解器中加入特定形式的输入输出函数功能，用于输入或输出耦合控制信息和耦合界面耦合数据信息；（3）单场求解器需要链接提供的映射插值库和通信库；（4）单场求解器需要在每个时间同步点上插入传递耦合数据的函数调用。

以上4个关键点中，关键点（2）是单场求解器支持求解器间耦合技术程序开发的核心。以集成的开源流体求解器SU2为例，在SU2源代码上加入特定形式的输入输出函数功能如下：（1）建立getMesh函数用于从INTESIMStructure获得耦合界面网格用于数据传递；（2）构造MeshData类用于存储网格数据；（3）建立getSolution函数用于从INTESIMSU2获取仿真结果数组；（4）建立putSolution函数用于将仿真结果数组传递给INTESIMStructure求解器。

3 映射搜寻插值技术

映射搜寻插值技术是求解器间耦合的关键技术之一。对于流固耦合分析，结构网格和流体网格在耦合界面上的单元尺度通常相差很大，流体与结构在耦合界面上的相互作用以载荷传递的方式通过耦合界面的映射搜寻插值算法实现，因此映射搜寻插值技术的优劣直接影响耦合数据传递的精度，最终决定流固耦合分析仿真结果的精度。[7]

INTESIMGISCI具有可靠的映射搜寻插值技术体系，其中：映射技术包括点云映射、基于Bucket的节点到单元映射和控制面映射；搜寻技术包括二分搜寻方法、Bucket搜寻方法和八叉树搜寻方法；插值技术包括线性插值和基于控制面插值；传递数据类型分为全局守恒型和分布保持型2种。[4]INTESIMGISCI可以根据载荷传递的物理量自动匹配适应的映射搜寻插值算法和数据类型，INTESIMGISCI用于流固耦合分析的映射搜寻插值技术体系见表1。

4 流固耦合分析案例对比

ANSYS Workbench的System Coupling是求解器间耦合驱动程序模块，可以驱动ANSYS体系下的流体求解器FLUENT和结构求解器Mechanical进行流固耦合分析。在此，采用同样的流固耦合案例网格和载荷边界条件，与INTESIMGISCI流固耦合仿真结果进行对比，验证基于耦合驱动程序INTESIMGISCI的流固耦合仿真软件的计算精度。

案例1为风洞中的柔体墙。风洞底端固定柔体墙，通道和墙体尺寸示意见图2。风洞左侧入口有速度为306.27 m/s（0.9 Ma）的高速气流吹入，进行稳态双向流固耦合分析，监测柔体墙沿来流方向的顶端位移。INTESIM与ANSYS仿真结果对比见表2，二者之间的相对误差仅为3.41%。通过后处理软件分别观测流体场和结构场的关键结果，包括流体的压力和速度分布、结构变形等，发现二者其他的仿真结果也基本一致。

当飞行器的飞行速度超过一定值时，升力机构会发生颤振现象。将升力机构底端固定，不断提高来流速度进行瞬态双向流固耦合分析，监测升力机构垂直于来流方向的顶端位移，判断升力机构发生颤振时的临界速度。当来流速度为204.18 m/s（0.6 Ma）时，INTESIMGISCI与ANSYS对升力机构垂直于来流方向的顶端位移仿真结果对比见图4。

在前幾个周期比较接近；之后由于受到各自单场求

解器，如收敛标准、阻尼等差异的影响，耦合仿真结

果的差异逐渐增大，但位移整体衰减趋势一致。

无论是从INTESIM仿真结果还是ANSYS仿真结果，均可以明确判断出此时升力机构尚未达到临界颤振速度，仍需提高来流速度继续寻找临界颤振速度。

此外，采用一系列其他经典模型，如AGARD wing 445.6，NACA0012等，从流场压力和速度分布、结构变形响应等多方面出发，验证INTESIM和ANSYS流固耦合仿真结果的精度，对比结果均表明基于INTESIMGISCI的流固耦合仿真软件与商业软件ANSYS的仿真结果基本接近，可以用于实际工程问题的仿真分析。

5 结束语

以耦合驱动程序INTESIMGISCI为核心程序间耦合框架体系，在流体求解器SU2的开源代码上加入时间同步点和相关函数功能形成INTESIMSU2，与原有的INTESIMStructure结构求解器共同实现基于耦合驱动程序INTESIMGISCI的流固耦合仿真软件开发。采用多个流固耦合分析案例与商业软件ANSYS进行对比，验证基于INTESIMGISCI的流固耦合仿真软件仿真结果的可靠性。

以耦合驱动程序INTESIMGISCI为核心的程序间耦合框架体系具备良好的开放性和可拓展性，基于通用的求解器间耦合技术和单场求解器支持求解器间耦合技术，可以广泛集成流体、结构、电磁、多体动力学等多学科的开源软件、自研软件和具备耦合接口的商业软件，使高级用户可不必局限于某些特定的耦合分析软件或单场求解器。

参考文献：

[1]

张磊， 郎进花， 王松岭. 流固耦合问题数值模拟算法研究进展[J]. 热力发电， 2015， 44（1）： 17. DOI： 10.3969/j.issn.10023364.2015.01.001.

[2] 李淑君， 王惠泉， 赵文玉， 等. 基于COMSOL多物理场耦合仿真建模方法研究[J]. 机械工程与自动化， 2014（4）： 1923. DOI： 10.3969/j.issn.16726413.2014.04.007.

[3] 李霈， 杨帆. 谈流固耦合与ADINA有限元软件的应用[J]. 山西建筑， 2013， 39（29）： 4344. DOI： 10.3969/j.issn.10096825.2013.29.024.

[4] ZHANG Q， CEN S. Multiphysics modeling： Numerical methods and engineering applications[M]. 北京： 清华大学出版社， 2015： 97156.

[5] van LOON R， ANDERSON P D， van de VOSSE F N，et al. Comparison of various fluidstructure interaction methods for deformable bodies[J]. Computers & Structures， 2007， 85： 833843. DOI： 10.1016/j.compstruc.2007.01.010.

[6] 宋学官， 蔡林， 张华. ANSYS流固耦合分析与工程實例[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2012： 19.

[7] 苏波， 钱若军， 袁行飞. 流固耦合界面信息传递理论和方法研究进展[J]. 空间结构， 2010， 16（1）： 310. DOI ：10.13849/j.issn. 10066578. 2010. 01. 001.

（编辑 武晓英）