MpCCI （Mesh-based parallel Code Coupling Interface）是由德國(guó)科學(xué)計(jì)算法則研究所（SCAI）開(kāi)發(fā)出來(lái)的，其目的是為了提供一個(gè)獨(dú)立于應(yīng)用的接口來(lái)耦合不同的仿真代碼。MpCCI是基于迭代耦合求解技術(shù)的一個(gè)軟件平臺(tái)，它可以動(dòng)態(tài)即時(shí)地交換兩個(gè)或多個(gè)仿真代碼在耦合區(qū)域的網(wǎng)格之間的數(shù)據(jù)。一般而言，屬于不同仿真代碼的網(wǎng)格是互不兼容的，MpCCI需要完成插值。在并行情況下，MpCCI保持對(duì)在不同進(jìn)程網(wǎng)格區(qū)域分布的跟蹤。

MpCCI允許交換耦合代碼之間的任意的物理量，如力、壓力、位移、溫度、對(duì)流換熱系數(shù)、時(shí)間等等。數(shù)據(jù)交換的復(fù)雜細(xì)節(jié)被隱藏在簡(jiǎn)潔的MpCCI界面接口之后。大多數(shù)商業(yè)CFD/FEM軟件允許用戶通過(guò)應(yīng)用程序接口增加額外的特征、物理模型、邊界條件，因而在用戶定義子程序內(nèi)部存取內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是可能的，甚至于通過(guò)子程序參數(shù)、全局變量或者通過(guò)內(nèi)部模型來(lái)讀取和保存數(shù)據(jù)，MpCCI正是使用這種能力完成和其它商用軟件的連接。 

1. MpCCI支持的軟件

MpCCI支持大部分主流的流體軟件和結(jié)構(gòu)軟件，直接支持的結(jié)構(gòu)軟件包括Ansys，Abaqus，Nastran，Marc；流體軟件包括Fluent，ICEPAK，FINE/Open ，F(xiàn)INE/Turbo ，Star-CCM+，OpenFOAM，熱輻射軟件包括RadTherm/TAITherm，系統(tǒng)軟包括Flowmaster，MATLAB ，MSC.Adams，SIMPACK，電磁軟件包括JMAG。另外，MpCCI軟件可通過(guò)API接口實(shí)現(xiàn)與自研程序的連接。

2. MpCCI的先進(jìn)求解策略

采用客戶機(jī)\服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，客戶機(jī)和服務(wù)器的通信采用TCP/IP協(xié)議，使得流固耦合可以運(yùn)行于任何的主流計(jì)算機(jī)平臺(tái)，以及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；

客戶端代碼本身的并行仍然采用原有的并行機(jī)制，如FLUENT、MARC、ABAQUS仍然采用各自的并行方式，與MpCCI無(wú)關(guān)；

客戶端程序之間可以串行執(zhí)行，也可以并行執(zhí)行。如FLUENT和MARC/ABAQUS同時(shí)求解，在完成一個(gè)時(shí)間步后交換數(shù)據(jù)，然后FLUENT和MARC/ABAQUS再同時(shí)求解，如此循環(huán)。這將極大提高大負(fù)荷問(wèn)題的解算效率；

第一次實(shí)現(xiàn)了CFD和結(jié)構(gòu)分析的市場(chǎng)和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者之間的耦合。用戶可以根據(jù)自己應(yīng)用的需要選擇自己認(rèn)為合適的CFD軟件和結(jié)構(gòu)分析軟件來(lái)完成流固耦合；

問(wèn)題的設(shè)置相互獨(dú)立，將極大提高流固耦合過(guò)程的易用性；

使用熟悉的軟件相對(duì)獨(dú)立的設(shè)置流體和固體問(wèn)題；

使用熟悉的、專業(yè)的算法來(lái)獨(dú)立地求解每一個(gè)域的問(wèn)題；

采用基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的耦合接口軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的通信和映射。

3. MpCCI軟件的先進(jìn)性和特色

MpCCI作為流固耦合的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)受到所有主流CFD和FEM軟件廠商的支持，成為事實(shí)上的多場(chǎng)耦合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用MpCCI作為多場(chǎng)耦合平臺(tái)具有以下優(yōu)勢(shì)：

可以模擬任意速度范圍的流固耦合問(wèn)題

可以求解涉及復(fù)雜流動(dòng)機(jī)理的流固耦合問(wèn)題

可以模擬大位移和大變形的流固耦合問(wèn)題

能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)間異步的流固耦合分析

能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的并行計(jì)算

能夠?qū)崿F(xiàn)流體、固體、熱、電磁、控制等多物理場(chǎng)耦合分析

受到CFD和FEM廠家的廣泛支持

4. MpCCI軟件的主要應(yīng)用

目前MpCCI的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括柔性結(jié)構(gòu)變形、渦輪機(jī)械、車輛和機(jī)器動(dòng)力學(xué)、汽車熱管理、電器元件、微電子器件中的熱應(yīng)力分析、制造過(guò)程和被動(dòng)安全、生命科學(xué)。成功案例分享如下：

汽車熱管理

德國(guó)科學(xué)計(jì)算法則研究所（SCAI）采用流體仿真軟件Star CCM+、輻射和固體熱傳導(dǎo)軟件TAITherm、耦合軟件MpCCI對(duì)汽車在駕駛狀態(tài)下的熱分布進(jìn)行了流體-熱耦合分析。

                                                                         整車熱分布前視圖                                     整車熱分布仰視圖

三種耦合方式模擬結(jié)果對(duì)比

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)蓋冷卻分析

采用ABAQUS和FLUENT 結(jié)合MpCCI模擬機(jī)蓋的熱耦合問(wèn)題。ABAQUS采用DC3D4熱傳導(dǎo)單元290000個(gè)，材料是鑄鐵。FLUENT采用530000的四面體單元。

 ABAQUS結(jié)構(gòu)圖

FLUENT流體區(qū)域圖

  模擬結(jié)果如下圖，溫度再考慮變形和不變形情況下的明顯差異。

沒(méi)有考慮耦合情況下的模擬結(jié)果

考慮耦合情況下的模擬結(jié)果

結(jié)論：考慮流固耦合情況下，固體內(nèi)部溫度的分布并不是均勻分布于每一個(gè)氣口的，而且存在很大的差異。

渦輪盤和燃燒室的熱固耦合分析

渦輪和發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中除了承受較大的氣動(dòng)載荷以外，還承受著非常嚴(yán)重的熱負(fù)荷，因此渦輪和發(fā)動(dòng)機(jī)的流固耦合傳熱分析就變得極為重要。

葉片熱固耦合計(jì)算模型和結(jié)果

渦輪葉片冷卻分析

比利時(shí)的CENAERO研究中心采用MpCCI聯(lián)合對(duì)渦輪葉片的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其中固體傳熱計(jì)算采用Abaqus，內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算采用用戶開(kāi)發(fā)的三維流體求解器Argo，外部流場(chǎng)計(jì)算采用渦輪機(jī)械專用軟件elsA。

在葉片附近的流場(chǎng)溫度分布顯示出一個(gè)V型的冷卻區(qū)域，這是由葉片和冷卻壁附近的二次流的相互作用而產(chǎn)生的。

葉片周圍的流場(chǎng)圖

結(jié)論：考慮流固耦合情況下，固體和流體界面之間的熱流和溫度是未知的，熱邊界條件是經(jīng)過(guò)流體和固體反復(fù)迭代達(dá)到熱平衡時(shí)的熱流和溫度條件，通常會(huì)使計(jì)算精度提高10%。

高壓壓氣機(jī)整體葉盤模擬

   德國(guó)科特布斯BTU大學(xué)利用MpCCI耦合Fluent和Abaqus，對(duì)高壓壓氣機(jī)的整體葉盤進(jìn)行模擬。

    葉片的彎曲振動(dòng)模型                  葉片的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型

節(jié)流閥流固耦合

世界最領(lǐng)先的閥門公司Vernay公司，應(yīng)用MpCCI結(jié)合ANSYS和FLUENT對(duì)氣閥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)目標(biāo)為：在定制的工程閥上，要求在變化的入口壓力條件下得到恒定的流量輸出。通過(guò)試驗(yàn)值和數(shù)值模擬值得比較，MpCCI集合ABAQUS和FLUENT有很好的預(yù)測(cè)效果。

流量和入口壓力關(guān)系曲線

風(fēng)電葉片的氣彈模擬

比利時(shí)Numeca公司利用MpCCI對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片進(jìn)行氣彈模擬，該仿真的目的是研究被動(dòng)控制的可行性，及調(diào)整葉片的復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)，以在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下增加葉片扭轉(zhuǎn)的靈活性

結(jié)構(gòu)軟件采用Abaqus，流體軟件采用Fine/Hexa。計(jì)算中采用了兩種葉片幾何，一種是做參考用的原始幾何，一種是做后掠處理后的幾何。

                                                                      葉片表面壓力分布                              葉片周圍流場(chǎng)壓力等值線

結(jié)論：通過(guò)分析，確定了最佳的復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)以及葉片外形，以得到更大的扭轉(zhuǎn)靈活性，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)控制的可能性。

機(jī)翼氣動(dòng)彈性分析

MPCCI是基于代碼耦合的并行計(jì)算接口，它可以同時(shí)調(diào)用結(jié)構(gòu)和流體的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)流固耦合。我們通過(guò)MPCCI，能很好的預(yù)測(cè)真實(shí)情況下的機(jī)翼繞流問(wèn)題。采用ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件來(lái)求解結(jié)構(gòu)在流場(chǎng)作用下的變形和應(yīng)力分布，通過(guò)Fluent軟件來(lái)計(jì)算由于固體運(yùn)動(dòng)和變形對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的影響。

通過(guò)MPCCI結(jié)合ANSYS和FLUENT，成功地計(jì)算在幾何非線性條件下的氣動(dòng)彈性問(wèn)題，得到了整個(gè)流體區(qū)域的流場(chǎng)分布以及結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)歷程。

不同時(shí)刻的機(jī)翼變形

電弧仿真

電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，電流通過(guò)某些絕緣介質(zhì)（例如空氣）所產(chǎn)生的瞬間火花。電弧是一種自持氣體導(dǎo)電（電離氣體中的電傳導(dǎo)），其大多數(shù)載流子為一次電子發(fā)射所產(chǎn)生的電子。電弧現(xiàn)象在熔化、焊接、照明、開(kāi)關(guān)設(shè)備的工業(yè)應(yīng)用都存在。

采用多物理框架MPCCI，ANSYS Fluent求解流場(chǎng)，ANSYS EMAG計(jì)算電磁場(chǎng)。使用MPCCI耦合環(huán)境將瞬態(tài)ANSYS Fluent流體流動(dòng)模擬中的量與穩(wěn)態(tài)ANSYS EMAG模擬中的量耦合。

電弧耦合仿真機(jī)理

電弧電壓隨時(shí)間變化情況

模擬得到的電弧電壓隨時(shí)間的變化，電弧切斷時(shí)間與試驗(yàn)吻合。

與FLOWMASTER耦合分析復(fù)雜流體系統(tǒng)

對(duì)于復(fù)雜的流體系統(tǒng)如發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)，單獨(dú)利用三維CFD分析將導(dǎo)致非常大的計(jì)算量，這一類問(wèn)題通常用FLOWMASTER軟件來(lái)模擬，但用FLOWMASTER模擬時(shí)需要提供每一個(gè)部件的性能參數(shù)，但個(gè)別部件的參數(shù)往往難以獲得，這就給FLOWMASTER的模擬帶來(lái)困難。對(duì)于這一類問(wèn)題，我們可以利用MpCCI將FLUENT和FLOWMASTER耦合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)三維CFD和系統(tǒng)CFD的聯(lián)合模擬，既減少計(jì)算量，又可以保證計(jì)算精度。耦合計(jì)算可用于潤(rùn)滑系統(tǒng)特殊部件與整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，以及二次空氣系統(tǒng)渦輪盤壁溫求解與空氣回路的聯(lián)合仿真，為渦輪盤腔提供精確的邊界條件。如羅爾-羅伊斯公司利用這種方法模擬渦輪冷卻系統(tǒng)，寶馬公司利用它來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)。