一起聊一聊流固耦合

唉呀妈呀是我呀

　　所谓流固耦合计算，通常指的是同时利用流体求解器和固体结构求解器计算流体和固体相互作用问题。流体求解器主要负责流场压力、速度、温度、组分等物理量的计算，而固体结构求解器则负责位移、应力、应变等计算。在这些求解变量中，同时存在于流体和固体求解中的物理量是压力和位移。

　　  · 在流体求解器中，压力是直接解出量，而在固体求解器中，压力可作为载荷。

　　  · 在固体求解器中，位移是直接解出量，而在流体求解器中，位移可作为载荷，表现为计算域运动或变形。

　　如下图所示。

　　因此，流固耦合问题的核心是在于共同变量的求解计算或传递问题。

　　1、求解方式
       流固耦合问题求解计算方式主要有两种：

　　  · 分离求解。采用不同的求解器计算各自的物理变量，其中共同变量采用异步传递的方式进行更新。
　　  · 联合求解。构建一个大型物理系统将流体和固体部分全部考虑进去，然后所有的物理场变量一起求解。

　　目前商用软件基本上采用分离求解的方式。

　　2、数据传递方式
       分离求解方式的核心在于数据传递。目前主要有两种传递方式：

　　  · 单向传递。例如流体求解器结算出压力，然后将压力数据作为载荷传递给固体结构求解器。如下图所示。

　　  · 双向传递。例如流体求解器发送压力数据至固体求解器，同时接收固体求解器发回的位移数据。如下图所示。

　　通常情况下，单向传递用于稳态计算，双向数据传递一般用于计算瞬态问题。

　　3、误差来源
       目前采用分离方式求解流固耦合问题，影响计算精度的地方包括：

　　  · 界面插值。这是最主要的误差来源，尤其是当交界面上网格节点不对应的时候。在双向流固耦合中，交界面上网格经常很难保持一致，因为在流体求解器中需要进行网格重构。
　　  · 网格重构引起误差。主要存在与双向耦合中，当边界出现大变形时，只能通过网格重构降低网格质量劣化，而在网格重构过程中，每一次重构都必须进行数据的重映射，此过程会导致计算误差。
　　  · 网格质量。由于存在网格重构，而重构后的网格质量常常较差，此过程中的误差等同于动网格计算。

　　实际上，双向耦合计算精度难以保证。

　　4、一点感悟
         · 如果不是为了完成上司交代的任务，能不做耦合就不做耦合，能做单向耦合就不要做双向耦合
　　  · 耦合计算会消耗大量计算机资源，没有金刚钻就别揽瓷器活，没有好电脑就别做耦合计算
　　  · 不做应力计算的问题，不属于流固耦合问题，比如常见的6DOF模型，多相流中的颗粒流动问题，虽有固体参与，但不是流固耦合问题