流固耦合分析实例指南_1-152
ANSYS 流固耦合分析与工程实例
宋学官 蔡 林 张 华 编著
■ 基于ANSYS Workbench平台，深入解析流固耦合分析实例
■ 多年ANSYS实际科研与工程经验的总结
■ 免费下载典型流固耦合分析实例的模型文件
前 言
经过几十年的发展，计算机数值分析已经逐渐从科学研究领域走进工业应用领域。其中，作 为计算机数值分析中的两个重要分支，计算固体分析和计算流体分析逐渐完善和成熟，目前已经 广泛地应用于机械、航空、造船、建筑、电子等各种行业。全国各大高校相关专业也都陆续开设 了有关结构分析和流体分析的专业课程，如有限元法(FEM) 、 计算流体力学(CFD) 等。
随着理论和应用的不断发展和融合，一种古老而又全新的分析方法——流固耦合分析，逐 渐走进了广大研究人员和工程师的视野。流固耦合分析( Fluid-Structure Interaction Analysis) 是流体分析与固体分析交叉耦合而生成的分析方法，它是研究可变形固体在流场作用下的各种 行为以及固体变形对流场影响这二者相互作用的一门分析方法。在某些特定研究和分析中，由 于涉及的固体变形和流场变化都不能忽视，流固耦合分析便显得极为重要和不可缺少。
作为世界著名的通用仿真分析软件，ANSYS 很早便开始流固耦合分析方面的研究和应用。 其先后并购和组合了流体仿真中的著名软件 CFX 和 FLUENT, 使得新开发的 ANSYS Workbench 有能力在不需要第三方软件的情况下，实现单向和双向的流固耦合分析。大量的流 固耦合分析研究和应用已经证明，通过ANSYS Workbench进行流固耦合分析操作简单、计算 迅速、结果可靠。
尽管如此，辅助和培训教材的缺失仍然极大地制约着初学者对流固耦合分析的学习、掌 握和使用。即使非常精通结构分析和流体分析的研究人员和工程师也时而对流固耦合分析中的 关键步骤一头雾水。本书不涉及系统理论以及具体算法的介绍，而是从实际应用角度出发，通 过大量的工程分析实例，向读者细致地讲解流固耦合分析。全书共分5章，从基础开始讲解， 层层深入到ANSYS 单向流固耦合分析、双向流固耦合分析，以及动网格和网格重构技术。为 了让读者能够更好地理解ANSYS 流固耦合分析的工程应用，本书还详细讲解了4个工程实例。
第1章：流固耦合分析基础，主要介绍流固耦合的基本概念以及ANSYS 流固耦合分析的 基础知识。
第2章：单向流固耦合分析，主要讲解单向流固耦合分析的应用。
第3章：双向流固耦合分析，主要讲解双向流固耦合分析的应用。
第 4 章 ：CFX 和 FLUENT 动网格分析，主要讲解大变形情况下的流体网格重构。
第5章：流固耦合工程实例，主要介绍4个实际工程项目中的流固耦合分析。
需要注意的是，本书中的实例都在ANSYS 12.1版本中完成。其中，大多数使用的是ANSYS Workbench 平台，即在ANSYS Workbench 中建立结构分析和流体分析系统的方法；少数例子 使用 CFX+ANSYS Workbench, 或 者 FLUENT+ANSYS Workbench,或 ICEM CFD+CFX/ FLUENT+ANSYS Workbench等组合软件。目前，ANSYS 已有最新版本发布，经过验证，本 书中所有例子在ANSYS 最新版本上也运行良好，并不影响读者学习并参照这些实例来解决自 己所遇到的工程问题。另外，为了最大限度地简化不必要过程和帮助读者多方面体验ANSYS的各种技巧，除了工程实例中的分析，其他分析演示中，很多方面如网格精度、边界条件、材 料属性等的设置都与实际情况有所出入，读者可学习参考，但切不可直接拷贝应用。
本书特色
● 贴近工程实际- 本书的实例多从实际工程、科研项目中提炼出来，具有很强的参 考价值，其中包括热应力、水压、旋转域 turbo 建模、周期边界、燃烧、热应力、血 管壁耦合、模态分析、流体冲击、自由页面、结构振动、活动域、大变形Remesh 、 FLUENT Remesh 6 DOF 等方面的技术或问题。
● 配套模型文件下载——为了方便读者更有效地学习，本书还配套提供模型文件的下 载，网址为 http://www.waterpub.com.cn/softdown/ 及 http://www.ws bookshow.com, 这 样读者学习起来效率更高。
致谢与分工
本书由宋学官、蔡林和张华编写，其中宋学官主要侧重于CFX 模块的耦合分析，蔡林主 要侧重于FLUENT 模块的耦合分析，张华主要侧重于旋转机械部分的分析模拟。全书由宋学 官统稿。
感谢成都道然科技有限责任公司为本书策划与质量控制所做的大量工作，同时感谢南京 蓝深制泵集团股份有限公司给予的协助，感谢中国仿真互动网 ( www.Simwe.com) 各位朋友 的热情支持。在本书的编辑过程中，参与具体工作的还有：李伟、景小艳、许志清、刘军华、 夏惠军、张赛桥、张强林、张代全、万雷、王斌、江广顺、李强、余松、郭敏、董茜、陈鲲、 王晓、李晓宁、丁佳、虞志勇、吴艳。在本书创作期间获得中国水利水电出版社老师的大力支 持，正是他们的辛苦付出，才使得本书能够在第一时间面向读者。若读者在学习过程中发现问 题或有更好的建议，可以通过www.dozan.cn/bbs 与我们联系。
由于时间仓促，作者水平有限，书中错误、纰漏之处难免，敬请广大读者批评指正。
编 者
2011年12月
1、流固耦合分析基础
近年来，流固耦合分析研究和应用取得了飞速的发展，尤其是ANSYS Workbench推广以 来，流固耦合分析变得容易起来，也因此很快在相关工程领域得到广泛应用。本章是学习 ANSYS流固耦合分析的入门篇，旨在介绍ANSYS 流固耦合分析的基本知识，引导初学者由 浅入深地了解流固耦合分析的基本操作和应用。
本章内容包括：
√ 流固耦合基础
√ ANSYS流固耦合分析
√ ANSYS流固耦合分析的基本步骤
1.1 流固耦合基础
下面简单介绍什么是流固耦合作用、流固耦合分析，流固耦合的重要性，以及流固耦合分 析用到的控制方程。
1.1.1认识流固耦合分析的重要性
随着计算科学以及数值分析方法的不断发展，流固耦合或交互作用(fluid structure coupling 或fluid structure interaction) 研究从20世纪80年代以来，受到了世界学术界和工业界的广泛 关注。流固耦合问题是流体力学 ( Computational Fluid Dynamics,CFD) 与固体力学 (Computational Solid Mechanics,CSM) 交叉而生成的一门力学分支，同时也是多学科或多 物理场研究的一个重要分支，它是研究可变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流 场影响这二者相互作用的一门科学。
流固耦合问题可以理解为既涉及固体求解又涉及流体求解，而两者又都不能被忽略的模拟 问题。因为同时考虑流体和结构特性，流固耦合可以有效节约分析时间和成本，同时保证结果 更接近于物理现象本身的规律。所以，近年来流固耦合分析在工程设计特别是虚拟设计和仿真 中的应用越来越广泛和深入。
图1-1显示了流固耦合分析在产品虚拟设计中的层次以及与各学科之间的相互联系。整个 虚拟设计流程可以分为三阶段。
● 第一阶段：样机设计阶段，主要是采用计算机辅助设计方法(CAD) 按产品定义进 行样机的结构设计。
● 第二阶段：样机虚拟实验和仿真阶段，主要是通过计算机辅助工程方法(CAE) 对初 始设计产品进行性能评估。依据各学科特性，进行的仿真分析主要有：计算流体力学 分析、计算固体力学分析、计算声学以及计算电磁学分析。其中把计算流体力学分析 和计算固体力学分析结合起来的分析简称为流固耦合分析。
● 第三阶段：样机加工阶段，主要采用计算机辅助加工方法和手段进行样机制造。
其中，如果在第二阶段发现样机性能不能满足设计要求，可以返回第一阶段，第三阶段如 果发现成品样机有问题，可以根据情况分别返回到第一阶段和第二阶段进行再开发和设计。
流固耦合研究和分析在众多领域，包括航空航天、水利、建筑、石油、化工、海洋以及生 物领域，有着十分重要的意义和应用前景。如石油 行业中，地震作用下大型贮油罐振动与罐内 储备油晃动的相互影响；化工行业中，长管道由于流体流动诱发的振动情况；海洋领域中，海 洋石油平台在强波浪中的结构安全性能评估；水利行业中，水电工程中水轮机发电叶片与水流 的相互作用；生物领域中，心脑血管和血液流动的相互影响，如图1-2所示；航空航天领域中， 飞机机翼绕流及颤振问题等都属于流固耦合作用问题，相应的分析都可归为流固耦合分析。
显然，流固耦合作用自古以来便一直存在，但是流固耦合分析以及其广泛应用是伴随着计算流体力学和计算固体力学的快速发展而产生和实现的。所以要探究流固耦合的基本原理还需 要从计算流体力学和计算固体力学着手。
1.1.2 流体控制方程
流体流动要遵循物理守恒定律，基本的守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律、能量 守恒定律。如果流体中包括混合的其他不同成分，系统还要遵循组分守恒定律。对于一般的可 压缩牛顿流来说守恒定律通过如下控制方程描述。
1.1.3 固体控制方程
固体部分的守恒方程可以由牛顿第二定律导出：
P₃d₅=V·σs+f₅ (1-4)
其中，p, 是固体密度，σ,是柯西应力张量，f 是体积力矢量，ä₃是固体域当地加速度矢量。
注意：上述流体和固体控制方程中都没有考虑能量方程，若考虑流体、固体的能量 传递，需要添加能量方程，对于流体部分总焓( h₁2) 形式的能量方程可以 写成如下形式：
1.1.4 流固耦合方程
同样，流固耦合遵循最基本的守恒原则，所以在流固耦合交界面处，应满足流体与固体应 力(τ)、位移(d) 、 热流量(q) 、 温度( T) 等变量的相等或守恒，即满足如下4个方程：
注意：下标f表示流体，下标s 表示固体。
以上就是流固耦合分析所采用的基本控制方程，为便于分析，可以建立控制方程的通用形 式，然后给定各参数以及适当的初始条件和边界条件，统一求解。目前，用于解决流固耦合问 题的方法主要有两种：直接耦合式解法( directly coupled solution, 也称为monolithic solution) 和分离解法( partitioned solution, 也称为load transfer method)。直接耦合式解法通过把流固控 制方程耦合到同一个方程矩阵中求解，也就是在同一求解器中同时求解流体和固体的控制方程
其中，k 表示迭代时间步，A开、△X 和 B, 分别表示流场的系统矩阵、待求解和外部作用 力。同理，A,s、△X 和B,分别对应固体区域的各项。A. 和A, 代表流固的耦合矩阵。
由于同时求解流固的控制方程，不存在时间滞后问题，所以直接解法在理论上非常先进和 理想。但是，在实际应用中，直接解法很难将现有 CFD 和 CSM 技术真正结合到一起，同时 考虑到同步求解的收敛难度和耗时问题，直接解法目前主要应用于如压电材料模拟等电磁一结 构耦合和热一结构耦合等简单问题中，对流动和结构的耦合只能应用于一些非常简单的研究 中，还没有在工业应用中发挥重要的实际作用。
与之相反，流固耦合的分离解法不需要耦合流固控制方程，而是按设定顺序在同一求解器 或不同的求解器中分别求解流体控制方程和固体控制方程，通过流固交界面( FS Interface) 把 流体域和固体域的计算结果互相交换传递。待此时刻的收敛达到要求，进行下一时刻的计算， 依次而行求得最终结果。相比于直接耦合式解法，分离解法有时间滞后性和耦合界面上的能量 不完全守恒的缺点，但是这种方法的优点也显而易见，它能最大化地利用已有计算流体力学和 计算固体力学的方法和程序，只需对它们做少许修改，从而保持程序的模块化；另外分离解法对内存的需求大幅降低，因此可以用来求解实际的大规模问题。所以，目前几乎在所有商业 CAE 软件中，流固耦合分析都采用的是分离解法。
1.2 ANSYS流固耦合分析
ANSYS很早便开始进行流固耦合的研究和应用，目前ANSYS中的流固耦合分析算法和 功能已相当成熟，可以通过或者不通过第三方软件(如 MPCCI) 实现 ANSYS Mechanical APDL+CFX 、ANSYS Mechanical APDL+FLUENT 、ANSYS Mechanical+ CFX的流固耦合 分析。
从算法上讲，ANSYS ( 也包括其他大型商业软件)主要采用分离解法也就是载荷传递法 求解流固耦合问题。但从数据传递角度出发，流固耦合分析还可以分为两种：单向流固耦合分 析( one-way coupling或 uni-directional coupling) 和双向流固耦合分析 ( two-way coupling或 bi-directional coupling)。其中，双向耦合因为求解顺序的不同又可分为顺序求解法( Sequential solution) 和同时求解法( Simultaneous solution),图1-3简单概括了基于ANSYS的耦合分析 类型，具体解释如下。
1.2.1单向流固耦合分析
单向流固耦合分析指耦合交界面处的数据传递是单向的，一般是指把CFD 分析计算的结 果(如力、温度和对流载荷)传递给固体结构分析，但是没有固体结构分析结果传递给流体分 析的过程。也就是说，只有流体分析对结构分析有重大影响，而结构分析的变形等结果非常小， 以至于对流体分析的影响可以忽略不计。单向耦合的现象和分析非常普遍，比如热交换器的热 应力分析、阀门在不同开度下的应力分析(见图1-4)、塔吊在强风中的静态结构分析、旋转 机械的结构强度分析等都属于单向耦合分析。
另外，已知运动轨迹的刚体对流体的影响分析在某种程度上也可以看作是一种单向耦合分 析。如汽车通过隧道时对隧道内部气流的影响分析，快启阀在开启过程中对流体流动的瞬间影 响分析等。由于固体运动已知，且固体变形忽略不计，所以此类问题一般可以单独在CFD 求 解器中完成，但是运动轨迹需要通过用户自定义函数设定。
1.2.2双向流固耦合分析
双向流固耦合分析是指数据交换是双向的，也就是既有流体分析结果传递给固体结构 分析，又有固体结构分析的结果(如位移、速度和加速度)反向传递给流体分析。此类分 析多用于流体和固体介质密度比相差不大或者高速、高压下，固体变形非常明显以及其对 流体的流动造成显著影响的情况。常见的分析有挡板在水流中的振动分析、血管壁和血液 流动的耦合分析(见图1-5)、油箱的晃动和振动分析等。一般来讲，对大多数耦合作用现 象，如果只考虑静态结构性能，采用单向耦合分析便足够，但是如果要考虑振动等动力学 特性，双向耦合分析必不可少，也就是说双向耦合分析很多是为了解决振动和大变形问题 而进行的，最典型的例子莫过于深海管道的激振问题。同理，如前所述，塔吊在强风中的 静态结构分析属于单向耦合分析，但是如果考虑塔吊在强风中的振动情况，就需要采用双 向耦合进行分析。
ANSYS提供两种类型的求解器来求解双向流固耦合分析，分别是多场求解器MFS-single
code 和多场求解器MFX-multiple code ( 见图1-6)。前者主要基于ANSYS FLOTRAN 开发， 在 ANSYS Mechanical APDL 中单独使用，多用于一些非常简单的小模拟分析。后者基于 ANSYS CFX开发，旨在联合ANSYS Mechanical ( 或 APDL) 和 CFX, 是比较形象的“耦合” 求解器，可用于解决大规模复杂模型。因为不是采用直接耦合解法，所以两种多场求解器都需 要迭代求解，不同的是，MFS 只有顺序求解方式(sequential), 即指定流固场求解顺序，依次 求解；而MFX有两种方式，即同步求解 ( simultaneous) 和顺序求解 ( sequential), 可设定固 体计算域和流体计算域，分别使用ANSYS 和 CFX 同时求解，也可以设定二者的优先级，按 顺序求解，直到达到收敛标准或者设定的最大迭代数。
1.2.3耦合面的数据传递
流固耦合中的数据传递是指将流体计算结果和固体结构计算结果通过交界面相互交换传 递。不管是完美对应的流固网格还是相差很大的非对应网格( dissimilar mesh), 通过严格设置， ANSYS多场求解器MFS 和 MFX 都能很好地完成传递。但是，对于非对应网格的数据传递， 传递前的插值运算是必不可少的一步。
多场求解器MFS 提供两种插值方式，分别是profile preserving 和 globally conservative 插 值法。在 profile preserving插值法中(见图1-7左),数据接收端的所有节点映射到数据发射端 的相应单元上，要传递的参数数据在发射端单元的映射点完成插值后，传递给接收端，是一种 主动问询式传递。与之相反，globally conservative 插值法(见图1-7右)首先把发射端的节点 一一映射到接收端单元上，然后把要传递的参数数据按比例切分到各个节点上，对接收端而言， 属于被动式传递方式。
两种插值法出发点和原理不同，所以效果也相差很远。比如使用profile preserving 插值法 传递参数数据时(如力、热通量等),发射端和接收端的数据有可能不守恒；globally conservative 插值法在局部也同样有类似不守恒情况，但是可以保证在全部交界面数据的总体守恒。从物理 角度出发，力、热通量等参数在耦合交界面处保持总体守恒更有意义，但是对位移和温度，保 持整体上的守恒不是很有意义，反而局部的分布轮廓更需要精确传递。所以一般情况下，对力、 热通量等参数传递，可以根据网格情况采用globally conservative 或者profile preserving方式， 但是对位移和温度的传递，一般总是采用profile preserving方法。
与 MFS 相似，多场求解器 MFX 同样提供两种插值方式，分别是 profile preserving 和 conservative 插值法。MFX中的profile preserving插值法与MFS中的完全相同。不过虽然第二种 conservative 方式与MFS中的globally conservative 只一字之差，但原理、方法完全不同。MFX中 的conservative方式采用单元分割、像素概念、桶算法以及新建控制面等多种方式和方法完成数据 传递，只要确保流固耦合面能完全重合对应，交界面上的参数数据从全局到局部都能得到精确传 递。对于流固耦合面不完全对应的情况，conservative方法 会通过在不对应区域设置0值、特殊边 界条件等方式忽略此区域数据的传递，从而保持严格的守恒传递，如图1-8所示。
原资料见附件
免责声明：
本页面/内容部分素材来源于互联网公 开 信 息，旨在传递更多信息，不代表本平台立场。
版权归原作者或机构所有，如涉及侵权，请通过平台联系我们，我们将在核实后第一时间处理。
本平台对转载内容的真实性、准确性不作任何保证，用户需自行判断并承担使用风险。
