CFD|管道分析之分叉钢管流固耦合计算
1.计算目的
利用NFX中的流固耦合分析对某金属分叉管道进行了动水压力作用下的稳态单向流固耦合计算，计算得到了该分叉管道中的内部流动特性及结构的力学响应结果，分析结果表明NFX CFD对该类型的计算具有前处理便捷、计算结果准确以及快速验证设计的优势特点。
2.计算步骤 1 计算模型建立
图1 分叉管道几何尺寸结构
本次计算分叉钢管按原型尺寸进行建模，设计输水流量为2,654.64m³/s，分叉管内径为13m，管壁厚1m，材料为合金钢。主流直管与分叉管管径一致，两分叉管管轴中心夹角70°，弯度为90°，折弯处采用20R倒角处理。
图2 分叉管道3维模型建立
图3 快速通过结构几何获取流体计算域模型
利用midas NFX中的CFD体积抽取功能，对管道中的水体进行快速建模，体积抽取功能的详细应用可以参考往期文章《【NFX CFD与流体力学】：计算流体域与NFX CFD体积抽取功能》，在体积抽取操作界面，选中建立好的分叉管道结构模型，宽度XY以及高度H输入能包围几何的尺寸，结束面选择进口管道及两分叉管道末端截面，点击完成。
2 网格划分
图4 材料创建 点击网格窗口下的属性材料对话框，分别创建结构材料和流体材料 在NFX中进行相关有限元分析，在网格划分步骤中一般有三个步骤，即创建单元材料、单元属性以及划分网格。那么在完成分叉管道流体计算域模型和结构计算域模型创建后，进入网格窗口下，点击”材料“按钮，分别创建结构材料-线弹性模型的合金钢材料以及流体材料-25℃下的水。
图5 单元特性创建 点击网格窗口下的单元特性对话框，分别将刚才创建好的材料赋给CFD3D和实体单元特性 在创建完用于流固耦合的结构材料和流体材料后，分别将刚才创建好的材料赋给CFD3D和实体单元特性，用于后续的3D实体网格划分。 
（a）结构网格划分 
（b）流体网格划分 图6 分别对结构计算域模型和流体计算域模型进行3D网格划分 利用上一步建立的单元特性，对分叉管道结构和流体进行3D网格划分，点击网格窗口中的生成3D网格。首先对分叉管道结构计算域进行网格划分，选中管道结构模型，尺寸输入1，单元特性为之前创建的”管道“，点击“适用”旁的”高级选项“按钮，勾选高阶单元，其余保持默认，完成网格划分。 以同样的方法，生成流体计算域的网格，但这里要注意，划分流体计算域时，单元特性要选择对应的流体，并且在高级选项中要取消勾选高阶单元。 3 边界条件施加 
（a）流体计算域边界条件设置 
（b）结构计算域边界条件设置 图7 分别设置流体的进出口壁面边界条件以及结构的约束荷载条件
在完成网格划分后，分别对流体计算域和结构计算域进行边界条件设置。流体计算域在直管进口段设置入口流速20m/s，出口考虑自由出流，设置相对大气压力0Pa，与管道接触的流体面设置为无因次距离壁面，利用壁面函数求解管道流动过程中的近壁面损失。
固体计算域设置三个管道端面的固定约束，实际工程中可以根据实际考虑固定约束的施加位置。并在”结构静力/稳态传热“窗口下，设置静力荷载重力，重力的方向为-z方向。 
图8 设置FSI流固耦合界面
在CFD窗口下，点击高级模型CFD边界中的FSI界面，设置流固耦合界面。FSI类型选择面与面，CFD对象类型设置面，在隐藏结构模型的条件下，选中流体计算域的壁面，同样的方法，在隐藏流体模型的条件下，选中结构计算域的内壁面，传递数据勾选压力和剪力。点击确认，完成边界条件设置。 4 求解设置 
图9 单向稳态FSI流固耦合分析求解设置
在完成边界条件设置后，点击分析模块中的FSI按钮，选择单向FSI，进行流固耦合分析设置。在标题栏中输入相应的工况名称，CFD分析选择稳态CFD，结构分析选择非线性静力。
图10 流场-分析控制 
图1 分叉管道几何尺寸结构
本次计算分叉钢管按原型尺寸进行建模，设计输水流量为2,654.64m³/s，分叉管内径为13m，管壁厚1m，材料为合金钢。主流直管与分叉管管径一致，两分叉管管轴中心夹角70°，弯度为90°，折弯处采用20R倒角处理。
图2 分叉管道3维模型建立
图3 快速通过结构几何获取流体计算域模型
利用midas NFX中的CFD体积抽取功能，对管道中的水体进行快速建模，体积抽取功能的详细应用可以参考往期文章《【NFX CFD与流体力学】：计算流体域与NFX CFD体积抽取功能》，在体积抽取操作界面，选中建立好的分叉管道结构模型，宽度XY以及高度H输入能包围几何的尺寸，结束面选择进口管道及两分叉管道末端截面，点击完成。
（b）结构计算域边界条件设置 
图12 后处理界面
实时显示CFD和结构计算结果
软件计算完成后，将实时显示流场分析结果和结构分析结果，工程师可根据工程实际需要进行后处理结果的查看和资料提取。
图13 流场分析部分结果展示
图14 结构计算部分结果展示
