This slide is how to use preCICE for FSI with OpenFOAM and CalculiX.

1. preCICEを用いた
OpenFOAMとCalculiXのFSI連成解析
moritam51@gmail.com
2021/1/30 1

2. はじめに
2021/1/30 2
Fluid Structure Interaction (FSI)
3D_flap_perp
Conjugate Heat Transfer (CHT)
heat_exchanger
流体構造連成解析のツール
preCICE(Precise Code Interaction Coupling Environment）

3. PreCICE概要
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• preCICEはミュンヘン工科大で研究開発
• フリーライセンスGNU LGPL3に準拠
• 各ソルバーはブラックボックス.連成変数だけを交換し高精度・高速
• 並列計算もmpi＝10000スケールまでOK
• OpenFOAMとCalculiXのFSI,CHT用にアダプターが提供
serial-explicit
parallel-explicit
parallel-implicit
multi
multi-scale time

4. 煙突の渦励振
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100m
36m/s
D=3m,H=30m
ρ＝7900kg/m3,E=210GPa,ν=0.3
f=2.4Hz
Laminar
ρ=1.2kg/m3
ν=1.5e-5m2/s
endTime=5s
Time interval=0.01s
煙突はどのように揺れるのか？
3Dのkarman渦の周波数？
環境：DEXCS2020
野村氏のブログを参考
流速はKarman渦の
ストロハル数Stから算出
St=fD/U=0.2

5. ファイル構成
OpenFOAM用フォルダ
CalculiX用フォルダ
preCICE設定ファイル
CalculiXの連成変数用ファイル
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preciceDict(openFOAM連成設定ファイル）
FreeCadで作製したopenFOAM用モデル
CalculiXインプットファイル
CalculiXのメッシュ作成補助プログラム（今回開発）
FreeCadで作製したCalculiX用モデル（静解析）
FreeCadで作製したCalculiX用モデル(周波数解析）

6. FSI連成計算の概要
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Fluid
Forces0
Displacements0
CalculiX
Fluid-Mesh-Faces
Fluid-Mesh-nodes
patch:solid
nodes-mesh
Solid
patch:Surface
mapping:nearest-neighbor direction
mapping:nearest-projection direction
設定：preciceDict 設定：config.yml
設定：precice_config.xml
preCICE
surface-mesh

7. DEXCS2020での設定方法
1. preCICEのtutorials/flap_perp/OpenFOAM-CalculiXを雛形にする
2. FreeCadで形状作成
単位がｍｍなので注意。数値がそのままOpenFOAMとCalculiXに出力
3. OpenFOAM用の設定ファイル作成:（Fluidフォルダ）
4. CalculiX用のinpファイルを作成（Solidフォルダ）
5. ./Allrun, ./Allcleanの修正
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8. OpenFOAM設定
• 基本的には通常のOpenFOAM設定. 今回はpimpleFoamを使用
• メッシュ変形用にdynamicMotionSolverFvMeshを使用
• controlDictにpreCICE_Adaptorを追加
• 連成変数については/system/preciceDictで設定
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functions
{
preCICE_Adapter
{
type preciceAdapterFunctionObject;
libs ("libpreciceAdapterFunctionObject.so");
}
}

9. preciceDict
preciceConfig "precice-config.xml" ;
participant Fluid;
modules (FSI);
interfaces
{
Interface1
{
mesh Fluid-Mesh-Faces;
patches (solid);
locations faceCenters;
readData
( );
writeData
( Forces0);
};
Interface2
{
mesh Fluid-Mesh-Nodes;
patches (solid);
locations faceNodes;
readData
(Displacements0);
writeData
( );
};
};
FSI
{
rho rho [1 -3 0 0 0 0 0] 1;
}
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interfaces patch mesh location ReadData WriteData
interface1 flap Fluid-Mesh-Faces faceCenters - Forces0
interface2 flap Fluid-Mesh-nodes faceNodes Displacements0 -

10. DEXCS2020でのCalculiX 設定
• FreeCadのFEMでメッシュと境界条件用に静解析モードでFEMMeshGmsh.inpを出力
• CreateINP_FSI.pyでメッシュと境界条件用ファイルを出力
• solid.inpを修正
• config.ymlを修正
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all.msh
fix.nam
surface.nam
surface.sur
FEMMeshGmsh.inp出力
(そのままで使えない）
メッシュ・境界条件用ファイル
CreateINP_FSI.py

11. FreeCadでのCalculiX メッシュ作成
• FreeCadのFEMで設定
• Node Setを作成のためConstraintFix,Surface作成のためConstraintPressureを設定
• FEMMeshGmsh.inpを出力し、CreateFSI.pyを使ってメッシュおよび境界条件用ファイルを作成
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12. solid.inp
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*INCLUDE, INPUT=Solid/all.msh
*INCLUDE, INPUT=Solid/fix.nam
*INCLUDE, INPUT=Solid/surface.nam
*INCLUDE, INPUT=Solid/surface.sur
*ELSET, ELSET=Eall
Evolumes
*MATERIAL, Name=EL
*ELASTIC
2.1e+11, 0.3
*DENSITY
7900
*SOLID SECTION, Elset=Eall, Material=EL
*STEP, NLGEOM, INC=1000000
*DYNAMIC, DIRECT
1.E-2, 5.0
*BOUNDARY
Nfix,1
Nfix,2
Nfix,3
*CLOAD
Nsurface, 1
Nsurface, 2
Nsurface, 3
*NODE FILE
U
*EL FILE
S, E
*END STEP
nearest-projectionを使う場合に必要
N+patch名
ヤング率 [N/m3], ポアソン比
密度 [kg/m3]
時間ステップ, 終了時間 [s]
拘束条件
負荷条件
単位はm,N,sを使用
幾何学的非線形, 反復回数
非定常, 時間ステップ固定

13. config.yml
participants:
Calculix:
interfaces:
- nodes-mesh-with-connectivity: Solid
patch: Surface
read-data: [Forces0]
write-data: [Displacements0]
precice-config-file: ./precice-config.xml
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nearest-projectionを使う場合に追加

14. precice_config.xml
<solver-interface dimensions="3">
<data:vector name="Forces0"/>
<data:vector name="Displacements0"/>
<mesh name="Fluid-Mesh-Faces">
<use-data name="Forces0"/>
</mesh>
<mesh name="Fluid-Mesh-Nodes">
<use-data name="Displacements0"/>
</mesh>
<mesh name="Solid">
<use-data name="Forces0"/>
<use-data name="Displacements0"/>
</mesh>
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データの名前
メッシュ名と使用データ名の定義
次元

15. <participant name="Fluid">
<use-mesh name="Fluid-Mesh-Faces" provide="yes"/>
<use-mesh name="Fluid-Mesh-Nodes" provide="yes"/>
<use-mesh name="Solid" from="Calculix"/>
<write-data name="Forces0" mesh="Fluid-Mesh-Faces"/>
<read-data name="Displacements0" mesh="Fluid-Mesh-Nodes"/>
<mapping:nearest-neighbor direction="write" from="Fluid-Mesh-Faces" to="Solid"
constraint="conservative" timing="initial" />
<mapping:nearest-projection direction="read" from="Solid" to="Fluid-Mesh-Nodes"
constraint="consistent" timing="initial" />
</participant>
<participant name="Calculix">
<use-mesh name="Solid" provide="yes"/>
<read-data name="Forces0" mesh="Solid"/>
<write-data name="Displacements0" mesh="Solid"/>
<watch-point mesh="Solid" name="point1" coordinate="-0.05;-0.2;1" />
</participant>
<m2n:sockets from="Fluid" to="Calculix" />
precice_config.xml
変数マッピング方法
変数マッピング方法
Fluidの連成変数定義
Calculixの連成変数定義
計算結果の参照位置
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通信方法

16. マッピング方法
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項目 Keyword 内容
方法 nearest-neighbor nodeメッシュ,1次精度
nearest-projection nodeメッシュとsurfaceメッシュ必要,2次精度
CalculiXのC3D4、C3D10をサポート
Radial-basis function data mapping 放射基底関数を利用.2次精度だがsurfaceメッシュは不必要
高精度だが計算時間が膨大
接続情報 consistent 入力メッシュの接続情報が必要
conservative 出力メッシュの接続情報が必要

17. <coupling-scheme:serial-explicit>
<time-window-size value="1e-2"/>
<max-time value="5"/>
<participants first="Fluid" second="Calculix"/>
<exchange data="Forces0" mesh="Solid" from="Fluid" to="Calculix"/>
<exchange data="Displacements0" mesh="Solid" from="Calculix" to="Fluid"/>
</coupling-scheme:serial-explicit>
precice_config.xml
Time Step [s]
End Time [s]
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18. Allrun
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$pimpleFoam –case Fluid &
$ccx_preCICE -i Solid/solid –precice-participant Calculix &
中断の場合 $kill PIDParticipant1 PIDParticipant2
PIDは$psで調べられる

19. メッシュ
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OpenFOAM:187,498Cells CalculiX:7957Cells

20. 計算結果 Fluid
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endTime=5s
Intel core5(4cpu) Execution Time=3556s
H=15m断面

21. 計算結果 Fluid
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location(x=-3, y=0, z=15)
location(x=-10,y=0,z=15)
カルマン渦は生じているがf=2.4Hzではない。場所によっても異なる
4.0s 4.2s 4.4s 4.6s 4.8s 5.0s
time time

22. 計算結果 Solid t=5sec
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変位はｘ方向 0.71mm, Max vonMises Stress=1.3MPa
共振振動数で振動
time
displacements

23. 参考
2.PENGUINITIS - preCICE のセットアップ (xrea.com)
3.（タイトル）未定（副題）DEXCS for OpenFOAM の使い方（第7章 DEXCS-OFの拡張
例） – オープンＣＡＥコンサルタントOCSE^2 (zenno.info)
1.preCICE - The Coupling Library | preCICE - The Coupling Library
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24. 必要なライブラリ、ツール等
ツール バージョン 内容
C++ C++11 C++コンパイラ
Cmake ver.>=3.10.1 ビルドシステム
Eigen PETScの線形代数計算用ライブラリ
Boost ver.>=1.65.1
libXml2 XML構文解析ツールキット
MPI 並列計算用
PETSc（ペットシー） ver.>=3.12 Portable Extensible Toolkit for Scientific
Computation
Python (with Numpy) プログラム言語
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