流体系统仿真新视角：一维三维耦合的深度探讨

在自然科学和实际工程中所遇到的几乎所有问題在本质上都是多尺度的，什么叫做“尺度”呢？我们看一下百度的解释：尺度是许多学科常用的一个概念，在定义尺度时应该包括3个方面的含义：客体（被考察象）主体（考察者）及时空。在有些时候尺度并不单纯是一个空间概念，还是一个时间的概念。

对于流体系统，在对系统计算精度要求不高，或者系统模型简单的时候，这种多尺度仿真方法并没有突出的特点和优势。单一尺度的流体系统模型（比如FLOWMASTER或者AMEsim搭建的热流体模型）就足以应付。但是随模型复杂程度的提高，设计的流体系统不断复杂多样，单一尺度的等效模型显示出其固有的局限性。其中一个主要缺点就是它的精度无法满足实际应用的要求，对于一个含有各种“非标准模型”的复杂流体系统，单一尺度模型难以描述其行为。例如，发动机进气歧管、几何形状不规则的排气管等等，我们很难使用一维模型去描述这些模型内部物理参数的变化规律。

在流体系统中，有些单一尺度的模型（如一维FLOWMASTER模型）是基于经验和实验的。所以，为了获

得更加精确的计算结果，人们选择精度更高、计算时间更长、尺度更加“微观”的三维CFD计算。然而，在整个流体系统上使用微观尺度量级的模型（尤其当模型存在大的尺寸跨度时候），增加了建模的复杂性和庞大的计算量，计算成本急剧升高，甚至是根本无法实现。而且即便这样，计算结果可能包含许多我们并不关注的信息，甚至可能忽略了我们所关心的信息。

鉴于上述不足，人们发展了这种一维三维耦合的方式，来兼顾流体系统的一维尺度和三维尺度，对于一些几何形状复杂、内部流道复杂，难以使用一维模型描述的部件（比如发动机气缸冷却水套、高压油轨）、我们釆用三维CFD模型计算；而对于管道、弯头、三通管等等可以用一维模型描述的部件，我们釆用一维模型计算。这样，实现了一维-三维流体系统联合仿真。这也是传统流体计算经验实验方法与现代数值计算方法的结合。

图1    流体系统联合仿真方法示意图

一维- 三维联合仿真，将一维计算的简约、三维计算的直观完美融合，是一种高效先进的流体系统计算方法，相比较任何一种单一尺度模拟仿真，主要优点如下：

1、 更为精确的边界条件，更为精确的系统动态特性仿真结果。

2、 简化边界条件要求，减少边界条件的假设以及用户输入参数的错误。

3、 更为精确的仿真结果 。

一维-三维联合仿真，分为直接耦合和间接耦合，直接耦合方法有floefd-flowmaster、fluent-flownex等；间接耦合方法有基于MPCCI的FLOWMASTER和fluent联合仿真，尤是基于MPCCI的耦合方法，有多种代码耦合方式可以选择，是一种先进的双向代码耦合方式。

图2 基于MPCCI的1D-3D联合仿真数据交换示意

现如今的一维 - 三维联合仿真具体如何实现 ，国内研究的人较少，有价值的参考资料较少，介绍如何同时操作三个软件实现耦合的资料更是少之又少，而且难度较大。导致流体系统联合仿真方法的应用和推广受到很大阻力。鉴于这种情况，我推出了 “基于MPCCI的FLOWMASTER & Fluent联合仿真专題教程”，将我最近一段时间的联合仿真经验 、操作方法法详细说明 ，并期待能抛砖引玉，促进交流，促 进多尺度联合仿真方法得到进一步的发展和应用。

 

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