FLUENT单向流固耦合分析案例后记
之前我们做了一个单向流固耦合案例，我们知道单向耦合的核心特征为：流场对固体场施加单向载荷作用，固体变形不反向影响流场计算。判断流固耦合用单向还是双向，核心判据是：结构变形/运动是否显著改变流场，工程上可通过无量纲数、变形量级、刚度/质量比、动态特性四类指标量化判断，如下表。参数定义/物理意义单向耦合阈值双向耦合阈值柯西数Ca流体动压/结构刚度Ca=ρfU2/ECa<0.05（结构响应极弱）Ca>0.1（结构响应强）质量比Mr结构质量/流体质量Mr=ρs/ρfMr>100（结构重、流体惯性可忽略）Mr<10（结构轻、流体惯性主导）变形比δ/L结构最大位移/特征长度δ/L<1%（变形极小）δ/L>5%（变形显著）斯托克斯数Stk颗粒/结构惯性/流体粘性Stk<0.1（流体主导）Stk>1（惯性主导）当然，很多工程实际问题通过直观经验也可以判断，比如单向耦合的结构刚度极大、变形极小（如刚性管道、厚壁压力容器、赛车尾翼），变形对流场几何/边界条件无影响。双向耦合的结构刚度小、柔性大、变形大（如柔性机翼、血管瓣膜、旗帜、波纹管），变形显著改变流道形状与边界运动。对于之前的案例，若通过柯西数来判断，我们暂且用弹性模量E来表征结构刚度，本案例E=1.5e6Pa，流体密度ρf=1.225（空气），流速30m/s，故Ca=0.000735。从Ca数看，这个案例可考虑单向耦合。但是在笔者看来，当选用的无量纲数计算过程有参考值（如特征长度）时，可能会有一千个读者一千个哈姆雷特的嫌疑，不过一些工程经验或者权威还是可以大胆参考的。我们似乎还可以用另一个角度看，因为结构变形是否会对流体流动产生显著影响是关键判断，那么当流体专业关心的某个参数发生了他不希望看到的结果时，是否也可以要求进行双向耦合呢？比如之前的案例，管道发生了如下的变形后，管道的阻力特性发生了多大的变化从而造成管路流量、压力的变化，这个变化能否接受等等。今天，我们就针对这个问题进行模拟讨论。核心思路就是用变形后的管道模型再进行一次CFD计算，看一下在相同的流量下，管道入口的压力有什么变化，由于变形是使弯管拉直的效果，因此我们初步怀疑管道阻力减小，入口压力会降低。本次模拟的核心就是管道变形后的再建模。新版的workbench都可以直接从变形结果导出变形后的模型（如下图），但是导出的是网格数据（stl格式），需要进行模型处理。这里需要特别说明一下，由于stl保存的是网格数据，如果网格数量巨大，那么后续的模型处理难度就不小了。经过较多应用软件的尝试，笔者认为采用FreeCAD将stl模型转换为stp模型是一个相对不错的方式。FreeCAD是一款开源免费的参数化3D建模软件，大家可以上他们的官网进行下载，。首先通过文件打开stl文件。导入stl文件后，可以在mesh模块检查修复一下模型，本案例模型完好，无需修复。然后通过零件的“从网格中创建形状”将网格转为曲面壳体，可以通过容差来设置精度，值越小精度越高，但是计算机配置不够的话可能死机。成功后得到shape模型，可以把原先的stl模型删除。接着通过零件的“转化成实体”将曲面模型转为实体模型，最后就可以导出stp模型了。我们用上面生成的stp模型在ansys的discovery里面进行前处理，主要就是几何修复、体积抽取和边界命名。Tips：在Discovery里，双击面等于一键选整片连续面。由于实体模型保留了stl的面体信息，因此抽取出来的流体边界（壁面）也会有这些小面体，可以做一些处理。比如本案例将端面的小面体合并，便于抽取体积时的端面选择；同时创建了辅助实体，为的是更好形成封闭区域（对于本案例，这一步没有做的话很难抽取完整的体积）最终抽取体积如下，我们把固体删除只留下流体区域，可以看到壁面的小面体非常多。各边界的命名在下图位置操作。由于存在很多三角形面体，我们在workbench的mesh模块进行网格划分，测试发现若在fluentmeshing进行多面体网格划分，则无法导入模型（问题尚未解决）。网格划分结果如下最后，在FLUENT开展计算，边界条件采取之前案例的值。我们重点看一下入口的压力为379.7Pa，不考虑变形的情况下入口压力412Pa（详见上一个案例），也就是说如果管道发生计算的变形量，则对流体的影响为入口压力降低约8.4%，符合我们之前的预期。但实际上，入口压力降低后，管道的变形可能会减小，最终造成入口压力的降低量小于8.4%，最后达到一个平衡值，这个值就需要用双向耦合来分析了，我们在以后的案例详细讨论。来源：仿真与工程
