流固耦合、流致振动、涡激振动几种计算方法概述

莫名其妙

随着社会和科技的进步，人们对数值计算的精度要求越来越高，显而易见，工程领域或者自然现象中诸多流动（圆柱绕流、机翼的颤振、旋转机械、花草树木风中摇曳、桥梁上下摆动、血管壁变形）都不是单一的流体运动，必定涉及到与之接触的固体，由此应运而生流固耦合（FSI）学科。

该学科是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位移对流场影响这二者相互作用的一门科。在固体域变形较大时或者一定流场中的计算精度和与实际相符的程度明显高于单纯的流体动力学计算(CFD)，因此流固耦合目前发展较为迅速，越来越受到重视。

流固耦合是个很大的交叉学科，首先根据不同耦合边界处理方法分为浸入边界法（Immersed Boundary Method）和动边界法（Moving Boundary Method）；在动边界法中又根据时间步是否同步可以分为强耦合计算和弱耦合计算；弱耦合分析从交界面信息传递方式不同又分为单向耦合和双向耦合，若只考虑流体仅对固体的干涉或固体仅对流体的扰动称为单向流固耦合，如果既包括流体对固体的影响，又包括固体对流体的影响，则称之为双向流固耦合，双向流固耦合方法得到的结果更接近实际情况，而单向流固耦合方法仅在某种情况下对特定值能给出比较准确的结果，下图所示为单向耦合与双向耦合计算过程的对比。

总体而言，目前可用于流固耦合计算的商业软件组合主要有两类。一类耦合计算方案是早期提出的基于第三方耦合代码MpCCI接口的耦合计算软件组合。但该耦合方案最大的缺点是需要第三方耦合代码MpCCI与流场和结构场计算软件直接的匹配。经常存在不同软件之间的版本不匹配的问题。需要多次安装不同的软件包，由于MpCCI面向的是多物理场耦合，不是只专注于流固耦合，所以相比于ANSYS Workbench 在流固耦合计算的设置和计算过程的监测控制等方面都比较繁琐，界面不友好；另一类基于 ANSYS Workbench 集成平台的ANSYS 系列软件，以下几种都是基于Ansys Workbench（版本18.1）这个软件工具平台实现，其中的所有方法组合都有实际操作过，对此有点个人见解。

一、单向流固耦合

1.单向稳态求解CFX+Mechnical、Fluent+Mechnical（最基础的方法），首先按照CFX和Fluent原本流体计算的方式进行设置，计算完成后将结果导入static structural再进行有限元分析就行，两个过程分别开展，操作简单，可以利用已有的CFD计算结果进行分析。然而其缺点显而易见，只能算稳态流动，一般用于简单分析以及大致计算变形大小，为后面双向流固耦合做铺垫。

2.单向瞬态求解CFX+Mechnical+SystemCoupling、Fluent+Mechnical+System Coupling
值得一提的是前几年又出来一个新的方法：利用原本在ANSYS Workbench中，单向流固耦合仅限于稳态数据传递，即导入到Structure中的数据为某一时刻的data数据，不能实现连续时刻的数据输入。ANSYS Workbench开发了新的Workbench ACT插件，借助CFD-POST的Macros Calculator功能来实现流固耦合的单向瞬态数据传递。（如需要插件和使用教程，请联系我）此种方法的优势在于计算时可以将流体和固体分开计算，提前算好流体，对计算机性能要求没有那么高，可以解决很多人已经算好瞬态流场后又想做瞬态结构动力学的烦恼，或者计算资源不足的问题。

二、双向流固耦合

既然要算双向，流固交界面的信息传递就是两个方向同时进行，当然也不是严格意义上的同时，这个属于弱耦合。但是要想计算搞得赢，就得用瞬态求解，概念不晓得，可以多读相关文献。

1.利用CFX模块CFX+Mechnical，这个模块我强烈推荐计算旋转机械，因为我当初头铁，用Fluent算旋转机械的瞬态，才发现后处理结果中转轮是不动的，流体域网格节点坐标和固体域传递有问题。也就是无法捕捉到动静干涉的压力脉动，算出来的东西严重不符合物理事实。也尝试了在Mechnical中设置转动副等高阶操作，依旧没用。后面没办法，只好改用CFX，嗯~真香！！！而且CFX还自带耦合模块，省去了一步数据传递。只需要两个模块就能搞定。也不是没有缺点，由于CFX没有自己的网格重构功能，计算中容易出现负网格，需要调用ICEM实现网格重构。

2.Fluent+Mechnical+System Coupling当然Fluent也是有其独特优势的，比如自带网格光顺及重构功能，可以解决大变形问题，不会因为结构变形过大发导致网格畸变后负网格报错。用起来还是很不错，看具体应用场合了，而且Fluent应用面明显更广一点，CFX主要用于计算旋转机械，甚至近两年新版ANSYS中Fluent更是集成了更加优秀的蜂窝网格划分技术以及有限元分析模块，集众多模块与一身，这才是安世亚太亲儿子。。。