Workbench流热固耦合仿真技术攻坚-从厘清这4类流固耦合开始

导读：大家好，我是仿真秀专栏作者——落雨仿真，国内C9流体力学专业博士，专注流固热耦合领域。6年相关分析经验，实操案例1000+个，为全国各高校流体力学及结构相关专业学生及科研工作者提供技术服务。即日起在仿真秀平台开展线上课程，培训和技术服务咨询，欢迎大家关注。

由我原创且独家发布仿真秀官网的视频教程《Ansys Workbench流固耦合仿真核心技术方法与经典工程案例实战16讲》正式上架，为学员提供学习资料和答疑服务，详情见后文。

一、写在文前

流固耦合（Fluid-Structure Interaction, FSI）是多物理场耦合的核心问题之一，广泛存在于航空航天、船舶工程、生物医学、能源环境等现代工业与自然现象中。其本质是研究流体与固体在相互作用下的动力学响应、能量传递及耦合机理，涉及流体力学、固体力学、计算数学等多学科的深度交叉。随着高精度仿真技术、先进实验方法及高性能计算的发展，流固耦合研究正从传统简化模型向高保真、多尺度、非线性耦合方向深化，成为推动工程技术创新与科学认知突破的关键领域。  

本文将对比单向稳态、瞬态流固耦合，双向稳态、瞬态流固耦合将四种流固耦合的设置方法与易错点进行梳理，讲解说明四种方法的区别与联系。  

1、流固耦合（FSI）的工程意义

（1）典型案例：  

单向稳态：输油管道壁厚设计中的流体压力载荷分析  

双向瞬态：潜水器柔性密封结构在深水压力下的动态密封失效

（2）多物理场耦合的数学本质：

2、分类逻辑树 

二、单向流固耦合（逐项展开）  

1、稳态单向耦合深度解析  

稳态单向流固耦合相对简单，也是我们最为常见的流固耦合分析方法，其分析思路即为在fluent中求解稳态的流场，再将计算完成的压力载荷传递至结构部分进行静力学受力分析，分析模块间的关系如下图所示。  

在此分析中需要注意的一点是流体部分与结构部分的对应面要选对，避免载荷传递错误。  

2、瞬态单向耦合关键技术  

瞬态单向流固耦合其实有两种方法。  

一种是通过Fluent＋Transient Structural通过系统耦合模块（system coupling）来进行分析，不过与通过系统耦合模块（system coupling）来进行双向流固耦合分析不同的一点是，需要将两个传递通道删除一个，即保留所需要的数据传输通道，此方法的好处是可以分析流体→结构或者结构→流体的单向流固耦合分析。其模块连接关系图如下图所示。  

另一种方法是，直接在Fluent中计算瞬态的分析结果并保存，然后直接将该瞬态数据加载在Transient Structural中，模块的连接示意图如下图所示。  

不过此方法有时候在数据传递不成功出现报错，An error occurred while importing the data. Additional information may be available in the Load Transfer Summary，在Load Transfer Summary中显示no pressure data was found at the selected surface。这是因为在Fluent数据保存时格式选择错误，按照如下设置即可。  

出现这种问题的原因应该是Fluent的cas和data的保存格式出现了问题，新版本Fluent的cas和data保存合适为.h5格式，该格式不能被mechanical识别，因此可以把在Fluent-Fille-Preferences-General-Default Format for I/O中将CFF改为Legacy，保存的格式形式由.h5格式改为.cas. gz和.data.gz，问题解决。 

三、双向流固耦合-稳态  

在大多数同学的概念中，双向流固耦合只能进行瞬态计算，也就是说只有瞬态计算才能算是双向流固耦合，其实不然，稳态同样可以进行双向流固耦合计算，其表征的意义是：通过流体与结构的在稳态下的相互迭代计算，最终达到稳态下的结构与流体最终的稳定状态，该方法较之前面所述的单向稳态流固耦合分析结果更符合实际情况。该方法的模块搭建如下图所示。

在该方法的设置中，需要注意的是，在system coupling设置中最大迭代步数而非常规瞬态流固耦合设置中的终止时间与时间步长。  

四、双向流固耦合-瞬态  

至于双向瞬态流固耦合也是我们最为常见的双向流固耦合方式，其模块连接关系如下图所示。 

该种方法也是难度最大、计算量最大的仿真分析，本文篇幅有限我们不讲具体方法，只将同学们最常见2种报错问题的做下说明。  

（1）计算出现负体积报错该如何解决？  

首先我们要分析边界条件是否合适，即是否有违背物理规律的边界条件出现，这点一定要注意，对于一些刚刚入门的同学这是经常出现的问题；其次我们检查动网格参数是否设置合理，可以切换不同的光顺方式与不同的网格重构参数来进行试算；  

最后可以将时间步长逐步减小试算，这里同学们尝尝有一个误区，就是出现负体积报错后常常去加密网格，其实这种方法一般只能加剧负体积的出现，这是因为在同一个时间步长下，网格越小，位移跨过的网格越多，就越会出现负体积。  

其实对于双向流固耦合来讲，没有一劳永逸的办法，只能是不断的去尝试，最终通过合理的参数设置才能将模型跑通，模型跑通后我们才能去分析该结果准不准，如何去优化。  

（2）Transient Structural中出现变形过大报错该如何解决？  

出现该种问题，第一种可能是因为边界条件的设置违背物理规律，这点一定要注意，对于一些刚刚入门的同学这是经常出现的问题；第二种可能是因为流体部分求解结果未收敛，出现了压力失真，将过大的载荷传递至结构体上致使结构不收敛，解决办法就是将时间步长减小或者将Fluent中的迭代时间步数增大以实现流体部分的计算收敛。

下图是笔者对以上四种方法的对比与适用情况

五、Workbench流热固耦合仿真核心技术实战

为了帮助学习者掌握核Workbench流热固耦合仿真核心技术，近日我在仿真秀独家发布了原创视频课程《Ansys Workbench流热固耦合仿真核心技术方法与经典工程案例实战16讲-学完即用》

本教程所用软件版本为Ansys Workbench2022版本，系统讲解从单向稳态 / 瞬态到双向流固耦合、热流固耦合的核心分析方法，涵盖接触状态、初始状态等特殊工况的处理逻辑，并通过机翼颤振、蝴蝶翅膀摆动、地震储液罐、变压力血管等 10   典型行业案例（含航空航天、机械工程、生物医学等领域），全流程演示建模、参数设置与结果分析，帮助学员掌握流固耦合全场景仿真技能，解决实际工程中的复杂系统动态特性预测、多物理场耦合等问题，适合 CAE 工程师、科研人员及相关专业学生提升实战能力。

此外，本教程还会根据订阅用户需求持续加餐内容，且提供VIP群答疑、奖学金、资料模型与行业资料下载、仿真人才库高薪内推、工信部CAE分析认证、专属客服等服务。以下是课程大纲：

1、课程概述及安排

第一章 课程概述及安排

• 第1讲 本课程能学到什么

第二章 常规流固耦合分析方法讲解

• 第2讲流固耦合的设置流程-关键点

• 第3讲 单向稳态流固耦合与预应力模态分析方法

• 第4讲 单向瞬态流固耦合分析方法

• 第5讲双向流固耦合方法

• 第6讲 双向热流固耦合分析方法

第三章 特殊状态下的流固耦合仿真分析

• 第7讲 涉及接触状态的流固耦合方法-小球落水案例

• 第8讲 涉及初始状态的流固耦合方法-水箱晃动案例

第四章 典型案例精讲

• 第9讲 典型案例1-机翼颤振的双向流固耦合

• 第10讲 典型案例2-蝴蝶翅膀摆动的双向流固耦合

• 第11讲 典型案例3-地震作用下的储液罐双向流固耦合

• 第12讲 典型案例4-阻尼器双向流固耦合

• 第13讲 典型系例5-变压力入口的血管双向流固耦合

• 第14讲 典型系例6-流体阻尼下的振动衰减双向流固耦合

课程可随时回放，可开具发票，奖学金、直播加餐

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来源：仿真秀App