PreCICE CHT with OpenFOAM and CalculiX

preCISEを用いた
OpenFOAMとCalculiXのCHT連成
moritam51@gmail.com
2021/1/31 1

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）

PreCICE概要
2021/1/30 3
• 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

例題：heat-exchanger
2021/1/31 4
Outer-Fluid
φ20×1000mm
φ4×1000mm
Solid
φ14×1000mm
φ10×1000mm
T=353K
U=1.25m/s
T=283K
U=0.2m/s
領域はInner-Fluid,Outer-Fluid,Solidの３つ
流体は水、固体は銅
流体はbouyantSimpleFoam(kEpsilon),固体はCalculiXで解く

PRECICEの境界条件
2021/1/31 5
𝑇𝑠 = 𝑇𝑓
𝑘𝑠
𝜕𝑇𝑠
𝜕𝑛
= 𝑘𝑓
𝜕𝑇𝑓
𝜕𝑛
物理量記号 OpenFOAM method
Temperature 𝑇𝑓𝑎𝑐𝑒 境界面温度 -
Heat flux
−𝑘𝑓
𝜕𝑇𝑓𝑎𝑐𝑒
𝜕𝑛
境界面熱流束 sgrad()
Sink Temperature 𝑇∞ = 𝑇𝑐𝑒𝑛𝑡𝑒𝑟 主流の温度 patchInternal-Field()
Heat Transfer Coefficent
ℎ =
𝑘
𝛿
熱伝達係数 𝛿 =deltaCoeffs()
（境界面とセル中心距離）
−𝑘𝑓
𝑇𝑓𝑎𝑐𝑒 − 𝑇𝑐𝑒𝑛𝑡𝑒𝑟
𝛿
= ℎ(𝑇𝑓𝑎𝑐𝑒 − 𝑇∞)
Dirichlet-Neumann Condition Robin Condition 流体
固体
𝑇
𝑇∞
𝑇𝑓𝑎𝑐𝑒
Robin（OpenFOAM)-Robin(CalculiX)条件の安定性がよい

CHT連成計算の概要
2021/1/30 6
Inner-Fluid
Sink-Temperature-Solid
CalculiX
mesh
Outer-Fluid-to-Solid
patch:interface
mesh
Solid-to-Inner-Fluid
patch:inner-interface
preCICE
Heat-Transfer-Coeffient-Solid
Sink-Temperature-Inner-Fluid
Sink-Temperature-Outer-Fluid
Heat-Transfer-Coeffient-Inner-Fluid
Heat-Transfer-Coeffient-Outer-Fluid
mesh
Inner-Fluid-to-Solid
Outer-Fluid
patch:interface
mesh
Solid-to-Outer-Fluid
patch:outer-interface
Heat-Transfer-Coeffient-Solid

ディクショナリ構造
2021/1/31 7
Calculixアダプタ設定ファイル
preCICE設定ファイル
OpenFOAMアダプタ設定ファイル
自前プログラム
インプファイル

DEXCS2020での設定と実行
1. preCICEのtutorials/heat_exchager/OpenFOAM-CalculiXを雛形にする
2. FreeCadでOuter-FluidとInner-Fluidの２つを形状・メッシュ作成
3. OpenFOAM用の設定ファイル作成:（Outer-Fluidフォルダ）
4. OpenFOAM用の設定ファイル作成:（Inner-Fluidフォルダ）
5. CalculiX用のsolid.inpファイルをFreeCad（Inner-Fluidを活用）作成
6. 自前プログラムでsolid.inpファイルを修正（Solidフォルダ）
7. ./Allrunの実行
2021/1/31 8

OpenFOAMメッシュ作製
2021/1/31 9
FreeCADで形状作製、cfMeshでメッシュ作製

OpenFOAM設定
• 基本的には通常のOpenFOAM設定でOK.
• bouyantSimpleFoamを使用
• controlDictにpreCISE_Adaptorを追加
• 連成変数については/system/preciseDictで設定
2021/1/31 10
functions
{
preCICE_Adapter
{
type preciceAdapterFunctionObject;
libs ("libpreciceAdapterFunctionObject.so");
}
}

preciseDict
2021/1/31 11
preciceConfig "precice-config.xml";
participant Outer-Fluid;
modules (CHT);
interfaces
{
Interface1
{
mesh Outer-Fluid-to-Solid;
patches (interface);
readData
(
Heat-Transfer-Coefficient-Solid
);
writeData
(
Sink-Temperature-Outer-Fluid
Heat-Transfer-Coefficient-Outer-Fluid
);
};
};
preciceConfig "precice-config.xml";
participant Inner-Fluid;
modules (CHT);
interfaces
{
Interface1
{
mesh Inner-Fluid-to-Solid;
patches (interface);
readData
(
Heat-Transfer-Coefficient-Solid
);
writeData
(
Sink-Temperature-Inner-Fluid
Heat-Transfer-Coefficient-Inner-Fluid
);
};
};
Outer-Fluid Inner-Fluid

CalculiXメッシュとinpファイル作製
2021/1/31 12
 FreeCADのFEMを使ってメッシュとベースinpファイルを作製
 境界条件は適合するものがないので、nodeとsurfaceの情報が得られるものを選択
 inpファイルはそのままでは使えないので修正する→Create_CHT_INP.py

CalculiX 設定
2021/1/31 13
*INCLUDE, INPUT=Solid/all.msh
*INCLUDE, INPUT=Solid/inner-interface.nam
*INCLUDE, INPUT=Solid/inner-interface.sur
*INCLUDE, INPUT=Solid/outer-interface.nam
*INCLUDE, INPUT=Solid/outer-interface.sur
*ELSET, ELSET=Eall
Evolumes
*ELSET, ELSET=MAT
Evolumes
*MATERIAL,NAME=ALUMINUM
*DENSITY
8960
*CONDUCTIVITY
401
*SPECIFIC HEAT
385
*SOLID SECTION,ELSET=MAT,MATERIAL=ALUMINUM
*INITIAL CONDITIONS,TYPE=TEMPERATURE
Nall,293
*STEP, INC=500
*HEAT TRANSFER, DIRECT, STEADY STATE
1,1
*DFLUX
*INCLUDE, INPUT=Solid/adiabatic.dfl
*FILM
*INCLUDE, INPUT=Solid/inner-interface.flm
*INCLUDE, INPUT=Solid/outer-interface.flm
*NODE FILE,FREQUENCY=5
U, NT
*EL FILE
S, E
*END STEP
密度 kg/m3
熱伝導率 W/(m2K)
比熱 J/(kgK)
初期温度 K
物性値定義
反復回数
熱伝達解析、定常、表示ステップ
熱伝達境界条件
断熱境界条件
ノードファイル保存
変位, 温度
応力, ひずみ
要素ファイル保存
要素番号,フラックスラベル(F),シンク温度,熱伝達係数
要素番号,フラックスラベル(S),0

名前の付け方
2021/1/31 14
*NSET, NSET=Ninner-interface
3,
4,
378,
379,
380,
381,
382,
383,
384,
385,
386,
*SURFACE, NAME=Sinner-interface
17812,S1
17893,S1
17899,S4
17975,S1
18050,S2
18081,S1
18095,S1
18106,S1
18133,S4
18148,S1
18153,S1
inner-interface.nam
ノードの場合は境界名の前にNをつける inner-interface.sur
サーフェスの場合は境界名の前にSをつける

DFLUXとFLUX
2021/1/31 15
Solid/adiabatic.dfl
DFLUX
Solid/inner-interface.flm
FLUX
要素番号,フラックスラベル(S),0 要素番号,フラックスラベル(F),シンク温度,熱伝達係数

config.yml
2021/1/31 16
participants:
Solid:
interfaces:
- mesh: Solid-to-Inner-Fluid
patch: inner-interface
read-data: [Sink-Temperature-Inner-Fluid, Heat-Transfer-Coefficient-Inner-Fluid]
write-data: [Sink-Temperature-Solid, Heat-Transfer-Coefficient-Solid]
- mesh: Solid-to-Outer-Fluid
patch: outer-interface
read-data: [Sink-Temperature-Outer-Fluid, Heat-Transfer-Coefficient-Outer-Fluid]
write-data: [Sink-Temperature-Solid, Heat-Transfer-Coefficient-Solid]
precice-config-file: precice-config.xml

precise_config.xml
2021/1/31 17
<solver-interface dimensions="3">
<data:scalar name="Heat-Transfer-Coefficient-Solid"/>
<data:scalar name="Sink-Temperature-Solid"/>
<data:scalar name="Heat-Transfer-Coefficient-Inner-Fluid"/>
<data:scalar name="Sink-Temperature-Inner-Fluid"/>
<data:scalar name="Heat-Transfer-Coefficient-Outer-Fluid"/>
<data:scalar name="Sink-Temperature-Outer-Fluid"/>
<mesh name="Solid-to-Inner-Fluid">
<use-data name="Sink-Temperature-Solid"/>
<use-data name="Heat-Transfer-Coefficient-Solid"/>
<use-data name="Sink-Temperature-Inner-Fluid"/>
<use-data name="Heat-Transfer-Coefficient-Inner-Fluid"/>
</mesh>
<mesh name="Solid-to-Outer-Fluid">
<use-data name="Sink-Temperature-Outer-Fluid"/>
<use-data name="Heat-Transfer-Coefficient-Outer-Fluid"/>
３次元
温度と熱伝達係数の6つの
データをやりとり
メッシュ設定
Solid-to-Inner-Fluid
メッシュ設定
Solid-to-Outer-Fluid

2021/1/31 18
</mesh>
<mesh name="Inner-Fluid-to-Solid">
<use-data name="Sink-Temperature-Inner-Fluid"/>
<use-data name="Heat-Transfer-Coefficient-Inner-Fluid"/>
</mesh>
<mesh name="Outer-Fluid-to-Solid">
<use-data name="Sink-Temperature-Outer-Fluid"/>
<use-data name="Heat-Transfer-Coefficient-Outer-Fluid"/>
メッシュ設定
Inner-Fluid-to-Solid
メッシュ設定
Outer-Fluid-to-Solid

2021/1/31 19
</mesh>
<participant name="Solid">
<use-mesh name="Solid-to-Inner-Fluid" provide="yes"/>
<use-mesh name="Inner-Fluid-to-Solid" from="Inner-Fluid"/>
<write-data mesh="Solid-to-Inner-Fluid" name="Sink-Temperature-Solid"/>
<write-data mesh="Solid-to-Inner-Fluid" name="Heat-Transfer-Coefficient-Solid"/>
<read-data mesh="Solid-to-Inner-Fluid" name="Sink-Temperature-Inner-Fluid"/>
<read-data mesh="Solid-to-Inner-Fluid" name="Heat-Transfer-Coefficient-Inner-Fluid"/>
<mapping:nearest-neighbor constraint="consistent" direction="read" to="Solid-to-Inner-Fluid" from="Inner-Fluid-to-Solid"/>
<use-mesh name="Solid-to-Outer-Fluid" provide="yes"/>
<use-mesh name="Outer-Fluid-to-Solid" from="Outer-Fluid"/>
<write-data mesh="Solid-to-Outer-Fluid" name="Sink-Temperature-Solid"/>
<write-data mesh="Solid-to-Outer-Fluid" name="Heat-Transfer-Coefficient-Solid"/>
<read-data mesh="Solid-to-Outer-Fluid" name="Sink-Temperature-Outer-Fluid"/>
<read-data mesh="Solid-to-Outer-Fluid" name="Heat-Transfer-Coefficient-Outer-Fluid"/>
<mapping:nearest-neighbor constraint="consistent" direction="read" to="Solid-to-Outer-Fluid" from="Outer-Fluid-to-Solid"/>
Solid設定
データ交換
マッピング方法

2021/1/31 20
</participant>
<participant name="Inner-Fluid">
<use-mesh name="Inner-Fluid-to-Solid" provide="yes"/>
<use-mesh name="Solid-to-Inner-Fluid" from="Solid"/>
<write-data mesh="Inner-Fluid-to-Solid" name="Sink-Temperature-Inner-Fluid"/>
<write-data mesh="Inner-Fluid-to-Solid" name="Heat-Transfer-Coefficient-Inner-Fluid"/>
<read-data mesh="Inner-Fluid-to-Solid" name="Sink-Temperature-Solid"/>
<read-data mesh="Inner-Fluid-to-Solid" name="Heat-Transfer-Coefficient-Solid"/>
<mapping:nearest-neighbor constraint="consistent" direction="read" to="Inner-Fluid-to-Solid" from="Solid-to-Inner-Fluid"/>
</participant>
<participant name="Outer-Fluid">
<use-mesh name="Outer-Fluid-to-Solid" provide="yes"/>
<use-mesh name="Solid-to-Outer-Fluid" from="Solid"/>
<write-data mesh="Outer-Fluid-to-Solid" name="Sink-Temperature-Outer-Fluid"/>
<write-data mesh="Outer-Fluid-to-Solid" name="Heat-Transfer-Coefficient-Outer-Fluid"/>
<read-data mesh="Outer-Fluid-to-Solid" name="Sink-Temperature-Solid"/>
<read-data mesh="Outer-Fluid-to-Solid" name="Heat-Transfer-Coefficient-Solid"/>
<mapping:nearest-neighbor constraint="consistent" direction="read" to="Outer-Fluid-to-Solid" from="Solid-to-Outer-Fluid"/>
Inner-Fluid設定
データ交換
Outer-Fluid設定
データ交換

2021/1/31 21
</participant>
<m2n:sockets to="Inner-Fluid" from="Solid" exchange-directory="." />
<coupling-scheme:parallel-explicit>
<time-window-size value="1"/>
<max-time value="500”/>
<participants first=“Solid” second=“Inner-Fluid”/>
<exchange data=“Sink-Temperature-Solid” mesh=“Solid-to-Inner-Fluid” from=“Solid” to=“Inner-Fluid” initialize=“yes”/>
<exchange data=“Heat-Transfer-Coefficient-Solid” mesh=“Solid-to-Inner-Fluid” from=“Solid” to=“Inner-Fluid” initialize=“yes”/>
<exchange data=“Sink-Temperature-Inner-Fluid” mesh=“Inner-Fluid-to-Solid” from=“Inner-Fluid” to=“Solid” initialize=“yes”/>
<exchange data=“Heat-Transfer-Coefficient-Inner-Fluid” mesh=“Inner-Fluid-to-Solid” from=“Inner-Fluid” to=“Solid” initialize=“yes”/>
</coupling-scheme:parallel-explicit>
<m2n:sockets to=“Outer-Fluid” from=“Solid” exchange-directory=“.” />
<coupling-scheme:parallel-explicit>
<time-window-size value=“1”/>
<max-time value="500"/>
<participants first="Solid" second="Outer-Fluid"/>
<exchange data="Sink-Temperature-Solid" mesh="Solid-to-Outer-Fluid" from="Solid" to="Outer-Fluid" initialize="yes"/>
<exchange data="Heat-Transfer-Coefficient-Solid" mesh="Solid-to-Outer-Fluid" from="Solid" to="Outer-Fluid" initialize="yes"/>
<exchange data="Sink-Temperature-Outer-Fluid" mesh="Outer-Fluid-to-Solid" from="Outer-Fluid" to="Solid" initialize="yes"/>
<exchange data="Heat-Transfer-Coefficient-Outer-Fluid" mesh="Outer-Fluid-to-Solid" from="Outer-Fluid" to="Solid" initialize="yes"/>
</coupling-scheme:parallel-explicit>
Inner-FluidとSolid計算設定
並列-弱連成
時間ステップ
計算終了
交換データ
Outer-FluidとSolid計算設定
並列-弱連成
時間ステップ
計算終了
交換データ

Allrun
2021/1/31 22
#!/bin/bash
cd ${0%/*} || exit 1 # Run from this directory
. $HOME/OpenFOAM/OpenFOAM-v2006/etc/bashrc
export CPLUS_INCLUDE_PATH=$HOME/CalculiX/yaml-cpp-yaml-cpp-0.6.2/include:$CPLUS_INCLUDE_PATH
export LD_LIBRARY_PATH=$HOME/CalculiX/yaml-cpp-yaml-cpp-0.6.2/build2:$LD_LIBRARY_PATH
export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/lib:/usr/lib/x86_64-linux-gnu:$LD_LIBRARY_PATH
######################################################################################
# Participant 1: Inner-Fluid
Participant1="Inner-Fluid"
buoyantSimpleFoam -case ${Participant1} > ${Participant1}.log 2>&1 &
PIDParticipant1=$!
######################################################################################
# Participant 2: outer-fluid
Participant2="Outer-Fluid"
buoyantSimpleFoam -case ${Participant2} > ${Participant2}.log 2>&1 &
PIDParticipant2=$!
######################################################################################
# Participant 3: Solid
Participant3="Solid"
export OMP_NUM_THREADS=1
export CCX_NPROC_EQUATION_SOLVER=1
ccx_preCICE -i ${Participant3}/solid -precice-participant ${Participant3} > ${Participant3}.log 2>&1 &
PIDParticipant3=$!
######################################################################################

実行と停止
実行
$./Allrun
各ソルバーPIDの確認とソルバー停止
$ps
$kill OuterFluid_PID Inner-Fluid_PID Solid_PID
2021/1/31 23

mesh
2021/1/31 24
133040cells
Inner-Fuild 26800cells
Outer-Fuild 47040cells
Solid 59200cells

計算結果
2021/1/31 25
Inner-Fluid ExecutionTime = 555.23 s ClockTime = 7780 s
Outer-Fluid ExecutionTime = 1261.51 s ClockTime = 7776 s
inlet Outlet
inner-Fluid 283K 291.9K
outer-Fluid 353K 352.4K FreeCadではfrdファイルの温度
場のvtkに変換できない

計算結果
2021/1/31 26
酒井さんの情報により、frdファイルをvtkにコンバートできるmmh_ccx2vtk.exeでparaViewですべてを表示
できた。exeファイルなのでダウンロード時に警告あり、ソースも公開されているが、修正が必要
https://drive.google.com/file/d/0B9ZH5Mkh7TZRWnlIcER4djRLQ2s/view

参考
2021/1/31 27
https://www.precice.org/index.html
http://penguinitis.g1.xrea.com/study/preCICE/OpenFOAM_CalculiX_FSI/OpenFOAM_CalculiX_FSI.html
http://mogura7.zenno.info/~et/wordpress/ocse/?page_id=12870

PreCICE CHT with OpenFOAM and CalculiX

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