流固耦合定义及典型应用实例

玫瑰有刺

　　流固耦合力学是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。它的一个重要力学特征是两相介质之间的交互作用 (fluid-solid interaction)，当流体与结构共同构成的体系受到动载荷作用时，流体与固体之间发生相互作用，即固体在流体作用下产生变形或运动，而这变形和运动又反过来影响流体的运动，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用在不同条件下将产生形形色色的流固耦合现象。流体与固体结构的耦合作用是工程实践中经常遇到的问题，如水利设施以及海洋工程结构的水弹性振动问题;水轮机、汽轮机等各种流体机械的流体弹性振动问题;在航空和航天工程中，飞行器的气动弹性振动问题和含液容器的晃动问题;高层建筑物和工业构筑物的风致振动问题;地下储层(油、气、水、煤等)多孔介质渗流等等皆属于这类问题。流固耦合问题在工程设计中具有十分重要的意义，它直接影响工程的经济性、可靠性，有时甚至会引起整个结构破坏的严重后果，造成重大经济损失。

　　流固耦合问题的研究一直是众多科研人员的研究热点，商业软件公司也一直想把流固耦合的最新求解技术融入到产品中，随着计算技术的发展和流固耦合理论的不断成熟，使流固耦合的求解更加趋于明朗。在过去几十年里，计算流体力学(CFD)和计算结构力学(CSM)都取得了长足的发展，CFD技术已发展到全三维非定常粘性数值模拟阶段，非线性有限元分析法已相当成熟。流固耦合理论也从早期的线性化已经发展到了非线性阶段，对于强迫响应问题，Sayma A. I 等人早已提出了非线性的流固耦合数值模型，即便理论和技术方面都有所突破，但要真正完全求解流固耦合问题还相当困难。本文对流固耦合的分析侧重于耦合作用仅仅发生在流体和固体的交界面上，其耦合效应是通过在方程中引入两相耦合面边界条件的平衡及协调关系来实现的，而对两相域难以明显分开、部分或全部重叠的物理现象不在本文探讨范围内。

　　现阶段，耦合求解一般有直接耦合和间接耦合两种，直接耦合是在一个求解器中同时求解不同物理场的所有变量，需要针对具体的物理现象来建立本构方程，其耦合效应通过描述问题的微分方程来体现。而间接耦合不需要重写本构方程，仅只利用当前比较成熟的单物理场求解器求解各自相域，并实现不同的物理场之间的信息交换。本文采用商业软件ANSYS、CFX进行的流固耦合计算就是间接耦合的做法。文中利用CFX 进行全三维非定常粘性数值模拟，利用ANSYS 进行结构瞬态动力分析，其耦合面数据交换以MFX-ANSYS/CFX为平台，在每个物理时间步上进行耦合迭代，各自收敛后再瞬态向前推进，结构变形引起的流场网格位移由CFX内部的动网格技术来处理，整个耦合过程充分考虑了流场的三维非定常性和结构响应的瞬态变化。

　　典型应用实例

　　平板在流场中振动是一个经典的流固耦合算例。如图1所示，在12m ×0.06m ×6m 的流场控制域中垂直放置一个1m ×0.4m ×0.06m 的平板，流场控制域四周封闭，前后表面设置为对称边界条件，平板下端全约束，在平板和流场控制域相接面为流固耦合面。在平板左侧施加大小为100 Pa 平面压力使得平板向右侧弯曲，0.5 s 后该作用力释放，平板左右震荡试图回到垂直的位置。由于流体的阻尼的存在，使得平板振幅趋于减缓，最终平板将回到垂直位置。已知平板的材料参数为密度2550 kg / m3 ，弹性模量：2.5e06 Pa ;泊松比：0.35;假定流体密度为1 kg / m3 ，动力粘性系数为0.5 Pa ⋅ s 。平板和流体域网格用六面体单元划分，得到平板网格数为3000个，流体控制域单元为13.4万个。设置计算时间为25s(time，25.0)，固定时间步长为0.1s。


　　求解结果


　　图2反映了平板上端面测点x方向位移变化情况。平板受到激励后左右震荡，最大偏向位移达到 0.2m，振动周期约为3.3s，由于流场阻力存在，平板的振幅随着时间的延长而逐渐减弱，最终平板将回到平衡位置。在不考虑阻尼的情况下，平板将一直左右摆动，其振幅和频率无变化。这一现象说明，平板周围流场的存在增加了平板运动的阻尼，使得平板振动减弱。

　　图3显示了在25s时刻流场速度矢量图。在该时刻，平板向左偏移，平板附近的流场随着平板一起向左运动，其流场速度最大值达到.0.41m/s。从图中可以看出，在靠近平板处，流场扰动剧烈，流速较大，在远端，流场以平板为中心，形成一个左旋的涡流。这表明由于平板在流场内部左右摆动，流场产生强烈的扰动。

　　从上述结果中可以看到，当平板结构与周围流场构成的体系受到动载荷作用时，平板与流体之间将发生相互作用，平板的摆动打破周围流场的平衡，而流场的运动又反过来削弱平板的运动，由于没有其他外载荷作用，平板和流场的这种相互耦合作用最终趋于平衡。



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