《SoftwareX》：A customizable explicit partitioned FSI coupling framework for Code_Saturne and Code_Aster
编辑推荐：
流固耦合（Fluid-Structure Interaction, FSI）研究通常需要耦合专门的流体求解器与结构求解器，同时需在长时间高性能计算（High-Performance Computing, HPC）运行中保持可复现性。本文提出了一种可定制的显式D
流固耦合（Fluid-Structure Interaction, FSI）研究通常需要耦合专门的流体求解器与结构求解器，同时需在长时间高性能计算（High-Performance Computing, HPC）运行中保持可复现性。本文提出了一种可定制的显式Dirichlet-Neumann（狄利克雷-诺伊曼）框架，用于耦合Code_Saturne与Code_Aster。该软件实现了非匹配界面场传递的自动化、瞬态结构动力学、位移松弛、局部网格变形、重启管理、追踪、归档以及Slurm作业排序。圆柱绕流算例与受Turek-Hron启发的算例验证了数据传递顺序，并展示了显式公式的适用范围。该框架面向弱至中等耦合的流固耦合研究，并为未来隐式或拟牛顿扩展提供了透明的基础。
一、研究背景与问题
流固耦合（Fluid-Structure Interaction, FSI）描述可变形或刚性结构与周围流体之间的耦合运动。流体应力引起结构变形或运动，而结构响应又改变流动域，从而影响后续时刻施加的载荷。这一反馈机制在近海、水利和海洋工程中至关重要，因为流动诱发振动会降低使用寿命和可靠性。FSI求解器通常分为整体式（monolithic）和分区式（partitioned）两类。整体式方法在一个耦合系统中同时求解流体和固体方程，而分区式方法保留专用求解器并交换界面量。分区方法因保留了成熟的CFD和结构力学工具而具有工程吸引力，但需要精确的载荷与运动传递以及稳定的时间耦合策略。其稳定性对附加质量效应尤为敏感，特别是在不可压缩流体与轻质或柔性结构相互作用时。
本文提出的软件耦合了Code_Saturne（通用有限体积CFD求解器）与Code_Aster（开源有限元结构力学求解器），目标是提供透明且可重启的双向工作流，而非取代整体式求解器或通用耦合中间件。该框架扩展了作者早期的单向或准静态实现，增加了瞬态结构动力学、自动界面场传递、局部网格变形、松弛、追踪、重启管理、归档和Slurm编排功能。与preCICE、PLE、MUI或ICoCo/MEDCoupling等通用环境相比，本实现特意专用于一对求解器，优先保证可审计性和运行可复现性，不宣称超大规模并行效率。
二、研究内容与结论
研究人员开发了一个可定制的显式分区FSI框架，结合有限体积流体求解、有限元瞬态结构动力学、非匹配场投影、松弛、局部网格变形、重启管理、追踪、归档和自动化Slurm执行。圆柱绕流算例复现了预期的相位分辨响应，脱落/响应频率与实验参考值相差约7%。受Turek-Hron启发的算例确认了工作流顺序的正确性，同时揭示了显式分区格式对强附加质量效应的已知敏感性。因此，当前版本最适合弱至中等耦合的FSI应用、初步参数研究和计算方法开发，应视为可运行且可复现的显式耦合框架，而非经过充分验证的强耦合求解器或大规模中间件。
三、关键技术方法
该框架采用分区Dirichlet-Neumann策略，Code_Saturne在耦合窗口内推进流体解，窗口结束时将压力场及切向界面应力导出并投影到结构界面作为Neumann载荷。非匹配传递使用Code_Aster的PROJ_CHAMP算子，采用METHODE='COLLOCATION'和VIS_A_VIS源/目标组，通过LIRE_RESU、CREA_CHAMP和CREA_RESU读取或重建MED场。结构计算在参考固体网格上使用Newmark格式（γ=0.5，β=0.25）推进瞬态解，位移、速度和加速度场存储并作为重启数据复用。界面位移在传回流体求解器前可进行松弛，松弛系数可固定或采用Aitken方法更新。松弛后的界面位移通过辅助线弹性计算在局部流体网格区域dif1中传播，移动界面接收指定位移，变形区域外边界固定。求解器间通信基于文件，通过共享文件系统交换MED和状态文件，Slurm依赖保证执行顺序。
四、研究结果
3.1 圆柱绕流算例
采用圆柱绕流算例验证工作流相对实验研究的相位分辨行为。全浸没圆柱半径R=20 mm，高H=0.33 m，置于宽0.50 m、高0.40 m、长16 m的水槽中，自由来流速度V∞=0.16 m s?1，对应Re≈6400。首次验证采用纯弹性静力结构格式，使桅杆变形跟随涡脱落产生的瞬时水动力载荷。模拟以六秒非耦合流体计算初始化以建立充分发展的卡门涡街，随后继续240次流固耦合迭代。实验尾流脱落频率约0.84 Hz，耦合数值响应约0.90 Hz，相差约7%。横向位移大于流向位移，轨迹再现了特征性的八字形图案。
3.2 受Turek-Hron启发的三维算例
第二个算例源自Turek-Hron FSI基准。由于原始二维基准未直接在Code_Saturne工作流中使用，采用三维Turek-Hron启发几何，比较是定性的而非FSI3的严格复现。使用FSI3基准的物理属性时，由于强附加质量效应，显式格式难以稳定，即使采用松弛也可能出现振幅增长、相位漂移或收敛性丧失。因此还测试了增加结构刚度和密度的较不苛刻配置，减小的界面位移和附加质量敏感性产生了规则的振荡响应，确认了压力传递、瞬态结构计算、网格变形、流体重启、追踪和后处理的正确顺序。
五、讨论与结论
该框架降低了已使用Code_Saturne和Code_Aster的研究团队开展双向FSI研究的实际门槛，将界面投影、瞬态结构状态链接、局部网格变形、松弛、重启处理、诊断和Slurm编排打包为单一可审计工作流。用户可研究耦合窗口大小、松弛策略、传递设置和网格运动选择，而无需开发新的整体式求解器。归档的中间场有助于诊断长时HPC计算，并可将数值选择与实验或基准启发算例进行比较。
显式顺序交换在界面运动和附加质量效应保持弱至中等时表现一致，但强耦合不可压缩算例可能保持不稳定。减小时间步或应用固定/Aitken松弛可延缓增长但不保证长期稳定性。自然扩展方向是采用带压力或位移残差控制的隐式界面迭代以及IQN-ILS等拟牛顿加速。当前版本最适合弱至中等耦合的FSI应用、初步参数研究和计算方法开发，应视为可运行且可复现的显式耦合框架。未来开发应聚焦于隐式或拟牛顿界面耦合，同时保持当前实现的透明基于文件的架构。
