多物理場耦合計算技術(shù)的研究進展與發(fā)展趨勢

1、1多物理場耦合技術(shù)的研究進展與發(fā)展趨勢多物理場耦合技術(shù)的研究進展與發(fā)展趨勢上海力學學會計算力學專業(yè)委員會上海力學學會計算力學專業(yè)委員會同濟大學航空航天與力學學院同濟大學航空航天與力學學院胡振東胡振東2009年年11月月17日日2內(nèi)容提要內(nèi)容提要一、數(shù)值模擬技術(shù)及其應用一、數(shù)值模擬技術(shù)及其應用二、多物理場耦合模擬技術(shù)研究進展二、多物理場耦合模擬技術(shù)研究進展 三、多物理場耦合模擬技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)三、多物理場耦合模擬技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)四、多物理場耦合模擬技術(shù)發(fā)展趨勢四、多物理場耦合模擬技術(shù)發(fā)展趨勢五、結(jié)語五、結(jié)語 3一、一、數(shù)值模擬技術(shù)及其應用數(shù)值模擬技術(shù)及其應用o 數(shù)值計算在社會發(fā)展、經(jīng)濟建設和科學探索

2、方面數(shù)值計算在社會發(fā)展、經(jīng)濟建設和科學探索方面取得巨大成功在于其強大的預測能力和對復雜物取得巨大成功在于其強大的預測能力和對復雜物理系統(tǒng)的模擬理系統(tǒng)的模擬; ;o 數(shù)學模型及其離散、計算機算法及實現(xiàn)是數(shù)值模數(shù)學模型及其離散、計算機算法及實現(xiàn)是數(shù)值模擬技術(shù)的核心；擬技術(shù)的核心；o 計算分析軟件交易市場興旺，本身市值數(shù)十億美計算分析軟件交易市場興旺，本身市值數(shù)十億美元，附加值數(shù)萬億美元元，附加值數(shù)萬億美元 ; ;除產(chǎn)品開發(fā)外還用于醫(yī)療、除產(chǎn)品開發(fā)外還用于醫(yī)療、國防、及試驗研究；國防、及試驗研究；o 數(shù)值計算在認識自然現(xiàn)象和預測物理事件方面同數(shù)值計算在認識自然現(xiàn)象和預測物理事件方面同樣有重要應用；如

3、大氣變化、海流、河水表面流、樣有重要應用；如大氣變化、海流、河水表面流、地下石油儲備、冰山和大陸板塊運動等。地下石油儲備、冰山和大陸板塊運動等。4可在毫秒量級詳細研究車輛結(jié)構(gòu)和乘客的安全性，優(yōu)化設計，減少事故。可在毫秒量級詳細研究車輛結(jié)構(gòu)和乘客的安全性，優(yōu)化設計，減少事故。 例：汽車碰撞數(shù)值模擬例：汽車碰撞數(shù)值模擬5 例：數(shù)值風洞模擬例：數(shù)值風洞模擬6 例：切除動脈瘤手術(shù)數(shù)值模擬例：切除動脈瘤手術(shù)數(shù)值模擬用流體力學和流固耦合理論模擬手術(shù)過程血液流動，選擇最佳手術(shù)方案。用流體力學和流固耦合理論模擬手術(shù)過程血液流動，選擇最佳手術(shù)方案。7 例：地下石油流動、油氣、水流過復雜多孔介質(zhì)數(shù)值模擬例：地下石

4、油流動、油氣、水流過復雜多孔介質(zhì)數(shù)值模擬工程師解決無法搭建實驗條件的情況下，數(shù)值模擬技術(shù)的優(yōu)勢得以充分體現(xiàn)出來。8二、二、多物理場耦合模擬技術(shù)研究進展多物理場耦合模擬技術(shù)研究進展 o 早期的數(shù)值模擬主要關(guān)注于某個專業(yè)領域，比如早期的數(shù)值模擬主要關(guān)注于某個專業(yè)領域，比如應力或疲勞，這與當時計算機的計算能力相對應，應力或疲勞，這與當時計算機的計算能力相對應，許多較復雜問題的數(shù)值模擬不可能完成；許多較復雜問題的數(shù)值模擬不可能完成；o 物理現(xiàn)象都不是單獨存在的，常見的耦合問題有物理現(xiàn)象都不是單獨存在的，常見的耦合問題有流流- -固耦合、電固耦合、電- -熱耦合、熱熱耦合、熱- -結(jié)構(gòu)耦合、熱結(jié)構(gòu)耦合、

5、熱- -電電- -結(jié)構(gòu)耦合、聲結(jié)構(gòu)耦合、聲- -結(jié)構(gòu)耦合、流體結(jié)構(gòu)耦合、流體- -反應耦合、流體反應耦合、流體- -熱耦合等；熱耦合等；o 計算機的發(fā)展為我們提供了更靈巧、更簡潔而又計算機的發(fā)展為我們提供了更靈巧、更簡潔而又更快速的算法，強勁的硬件配置，使得對多物理更快速的算法，強勁的硬件配置，使得對多物理場的數(shù)值模擬成為可能；場的數(shù)值模擬成為可能；9二、二、多物理場耦合模擬技術(shù)研究進展多物理場耦合模擬技術(shù)研究進展 o 各種物理場現(xiàn)象都可以用（偏）微分方程來描述，各種物理場現(xiàn)象都可以用（偏）微分方程來描述，如熱、電、力，多物理場的本質(zhì)是（偏）微分方程如熱、電、力，多物理場的本質(zhì)是（偏）微分方程

6、組；組；o 數(shù)值模擬的本質(zhì)是將（偏）微分方程組離散成代數(shù)數(shù)值模擬的本質(zhì)是將（偏）微分方程組離散成代數(shù)方程組，常見的方法有限差分方法（方程組，常見的方法有限差分方法（FDMFDM）、有限）、有限元方法（元方法（FEMFEM）、有限體積法（）、有限體積法（FVMFVM）；）；o 在實用性、適用性以及擴展性方面，在實用性、適用性以及擴展性方面，F(xiàn)EMFEM方法具有方法具有更大的優(yōu)勢，有限元的未來是多物理場耦合分析；更大的優(yōu)勢，有限元的未來是多物理場耦合分析；10壓電擴音器（Piezoacoustic transducer）可以將電流轉(zhuǎn)換為聲學壓力場，或者反過來，將聲場轉(zhuǎn)換為電流場。這種裝置一般用在空

7、氣或者液體中的聲源裝置上。仿真研究了在施加一個幅值200V，震蕩頻率為300 KHz的電流后，晶體產(chǎn)生的聲波傳播。 例：壓電擴音器模擬例：壓電擴音器模擬11 例：子彈穿甲過程模擬例：子彈穿甲過程模擬在毫秒尺度研究穿在毫秒尺度研究穿甲過程復雜物理行甲過程復雜物理行為，包括相變、融為，包括相變、融化、散裂、飛片和化、散裂、飛片和溫度。溫度。12 例：飛機高空氣流溫度場模擬例：飛機高空氣流溫度場模擬13 例：生化反應污染擴散模擬例：生化反應污染擴散模擬14 例：星體爆炸假說數(shù)值模擬例：星體爆炸假說數(shù)值模擬基于氣動力學和可壓縮多相介質(zhì)流動理論模擬星體爆炸時的密度和溫度分布?；跉鈩恿W和可壓縮多相介質(zhì)

8、流動理論模擬星體爆炸時的密度和溫度分布。15例：摩擦攪拌焊接（例：摩擦攪拌焊接（FSWFSW）模擬）模擬 在這個摩擦攪拌焊接的模擬過程中，將三維的傳熱分析和二維軸對稱的渦流模擬耦合起來。傳熱分析計算在刀具表面施加熱流密度后，結(jié)構(gòu)的熱分布?？梢蕴崛〕龅毒叩奈灰?，熱邊界條件，以及焊接處材料的熱學屬性。接下來將刀具表面處的三維熱分布映射到二維模型上。耦合起來的模型就可以計算在加工過程中熱和流體之間的相互作用。 16例：充氣天線展開過程模擬例：充氣天線展開過程模擬 17例：火星探測器著陸氣囊仿真研究及優(yōu)化設計例：火星探測器著陸氣囊仿真研究及優(yōu)化設計1819三、三、多物理場耦合模擬技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)多物理場

9、耦合模擬技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)o 計算方法滯后于計算機硬件，高性能計算機所能計算方法滯后于計算機硬件，高性能計算機所能提供的計算能力并沒有得到充分發(fā)揮；提供的計算能力并沒有得到充分發(fā)揮；o 計算結(jié)果的可靠性問題；計算模擬精度不夠，很計算結(jié)果的可靠性問題；計算模擬精度不夠，很多物理現(xiàn)象只能在定性層面上描述。多物理現(xiàn)象只能在定性層面上描述。o 個人知識面有限，缺乏對其他學科深層次的了解；個人知識面有限，缺乏對其他學科深層次的了解；即使本學科也面臨數(shù)學模型的更新問題；即使本學科也面臨數(shù)學模型的更新問題；o 非確定性問題的存在與非確定性方法。非確定性問題的存在與非確定性方法。20四、四、多物理場耦合模擬技術(shù)發(fā)

10、展趨勢多物理場耦合模擬技術(shù)發(fā)展趨勢o計算方法與硬件支撐的耦合；包括三維成像、切片掃描、可視化、計算方法與硬件支撐的耦合；包括三維成像、切片掃描、可視化、測試及實驗。測試及實驗。 o微觀與宏觀的耦合；如量子力學、分子動力學、材料科學、生物微觀與宏觀的耦合；如量子力學、分子動力學、材料科學、生物醫(yī)學和生物系統(tǒng)，多尺度耦合。醫(yī)學和生物系統(tǒng)，多尺度耦合。 o虛擬設計；目前離實用還有差距，很多多物理現(xiàn)象不能模擬，如虛擬設計；目前離實用還有差距，很多多物理現(xiàn)象不能模擬，如燃燒、相變、斷裂、散裂、尺度懸殊和隨機行為。燃燒、相變、斷裂、散裂、尺度懸殊和隨機行為。o模型選擇、模型的誤差估計、模型的自適應性；模型

11、選擇、模型的誤差估計、模型的自適應性；o控制不確定性；現(xiàn)有方法只是理想化隨機模型，僅分析上限和下控制不確定性；現(xiàn)有方法只是理想化隨機模型，僅分析上限和下限，未來需要根據(jù)給定信息確定最大應力等物理量。限，未來需要根據(jù)給定信息確定最大應力等物理量。o并行算法與協(xié)同計算；并行算法與協(xié)同計算；21五、五、真正的多物理場耦合真正的多物理場耦合o 多物理場的間接耦合與直接耦合的區(qū)別（多物理場的間接耦合與直接耦合的區(qū)別（One Way One Way Couple and Two Ways CoupleCouple and Two Ways Couple）；）；o 傳統(tǒng)實現(xiàn)多物理場耦合的方法大多屬于間接耦合

12、（傳統(tǒng)實現(xiàn)多物理場耦合的方法大多屬于間接耦合（One One Way CoupleWay Couple）；）；o 不同的算法、不同的軟件平臺下，多個物理場之間數(shù)據(jù)不同的算法、不同的軟件平臺下，多個物理場之間數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)困難，導致間接耦合計算結(jié)果不準確；傳輸出現(xiàn)困難，導致間接耦合計算結(jié)果不準確；o 聯(lián)立偏微分方程組（聯(lián)立偏微分方程組（PDEsPDEs）實現(xiàn)真正的多物理場耦合，）實現(xiàn)真正的多物理場耦合，以及任意個物理場的耦合。以及任意個物理場的耦合。22六、六、結(jié)語結(jié)語o 數(shù)值模擬已成為推動現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的重要工具。對數(shù)值模擬已成為推動現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的重要工具。對提升企業(yè)爭能力、維護國家安全、認識自然界各種物理提升企業(yè)爭能力、維護國家安全、認識自然界各種物理現(xiàn)象和生物系統(tǒng)有重要意義；現(xiàn)象和生物系統(tǒng)有