一、定義

        流固耦合，簡單來說就是變形固體在流體作用下（受力、受熱）的各類行為，涉及到流場和結構的耦合計算，其本質上屬于多個物理場的耦合行為，其關鍵點在于流體和固體之間的相互作用。

二、應用范圍及分類

        流固耦合行為在自然中隨處可見，如失控船舶的隨波逐流、樹木在大風天氣下的搖擺、儲液罐的晃動受力、海上平臺受風浪侵襲等；但從仿真的角度來看，根據數據是否需要往復傳遞分為單向流固耦合和雙向流固耦合；

        其中以fluent（流體仿真計算）和Workbench中的structural（結構仿真計算）為例，

        單向耦合指：fluent計算流體工況，將耦合面上的壓力數據導入到structural中，從而計算結構仿真的應力、應變等參數，但認為變形量不大，不足以影響原先的流場形態，故變形位移不回傳給fluent；

        雙向耦合指：fluent計算流體工況，將耦合面上的壓力數據導入到structural中，從而計算結構仿真的應力、應變等參數，但認為變形量足夠大，足以影響原先的流場形態，故將變形位移回傳給fluent，從而再次計算在新的固體形狀下的流場數據，得到耦合面上新的壓力數據；不斷重復該過程，直至計算完成；

        注：上述僅涉及流固耦合中的force和displacement的傳遞；如果還涉及到熱的雙向傳遞，可采用三種方式：1是傳遞heat transfer coefficient、near wall temperature和temperature；2是傳遞temperature和heatflow；3是采用共軛換熱方式，在fluent中將熱場在流體和固體中耦合；后續可詳細展開該部分；

三、仿真模塊介紹

        市面上的仿真模塊眾多，可實現流固耦合的不在少數，無論是單一模塊實現，還是多模塊的耦合仿真；比如前者包括：LS-DYNA（19年已被ANSYS收購）和autodyn，均包括相應流體單元，可實現較為復雜的、高度非線性的流固耦合工況；比如后者包括：ANSYS旗下的流體模塊fluent及CFX，結構模塊Workbench的structural；達索旗下的流體模塊xflow和結構模塊ABAQUS等等；均可以通過開放的接口進行數據的傳遞；

        那么問題來了，這么多模塊，到底哪個好？

        實際上仿真的目的就是為了解決問題！那么一方面對于常規工況，各大軟件的相應模塊肯定都能實現，對于個人而言只是熟練與否、學習資源多少的問題；打個比方，自己之前學過fluent，而且有認識的朋友、老師會相應的仿真工況，那顯然再去學個Workbench是最合適自己的；另一方面還跟具體的工況有關，比如某些特別復雜、高度非線性的流固耦合工況，采用LS-DYNA就是更好的選擇（如果采用耦合模塊來做，估計能報錯發散到懷疑人生？）

        舉例說明，該物資空投案例來自ANSYS與法國DGA航空系統的成功合作；背景如下：在貨物空投過程中，要保證與地面沖擊后，貨物不受損壞；那么其關鍵所在就是最終著陸是的速度和姿態；但貨物出倉后的姿態角度、自由落體、下降中降落傘的打開過程、完全打開后的下落過程均會影響最終的速度和姿態；整個仿真將其分為一下幾個部分：

        工況1、貨物出倉過程；

        飛機外流場由fluent計算，貨物運動過程由overset處理；Workbench結構模塊計算貨物傳動，考慮摩擦力、重力等；通過該雙向FSI（fluid structure interaction）得到出倉后的姿態；

        工況2、自由落體過程（降落傘未開啟）

        屬于剛體降落，可單獨用fluent的6DOF來處理，其初始狀態由工況1獲得；

        工況3、降落傘開啟

        該部分涉及高度變形，采用ls-dyna進行處理，得到最終降落傘開啟后的狀態，其初始狀態由工況2獲得；

        工況4、開啟降落傘后的下降過程

        采用雙向FSI處理，得到最終著陸前的角度和速度，其初始狀態（降落傘完全開啟）由工況3獲得；

        工況5、著陸

        典型的跌落工況，由ls-dyna處理，考慮最終貨物的受損情況；

四、涉及到知識點

        針對于流固耦合工況（特別是雙向）而言，涉及到的知識點非常的多；以fluent與Workbench中的structural為例（事實上是CFX、ABAQUS、ls-dyna等我都不會，慚愧）；通常用到的知識點如下：

        模型方面：建議spaceclaim，對模型的修復處理效果極佳；

        網格方面：建議ANSYS mesh（就是workbench里面的那個），其網格結構流體都可以用，而且上手簡單，操作方便；

        流體方面：常規的流體設置，動網格或者overset；涉及到雙向熱流固耦合，也可以用到共軛換熱的內容；

        結構方面：常規的結構設置，各類接觸及可能用到的APDL命令等

        耦合方面：Workbench下的system coupling；主要是理解數據傳遞及其計算工作的原因；

五、個人的一些建議

        1、能單向就單向，盡量不做雙向流固耦合

        不管是做科研還是做項目，仿真都是一種工具手段，目的是為了解決問題；而解決問題又得考慮時間、經濟和精度的成本；而相對于單向耦合而言，雙向耦合無論是計算時間、調試精力、硬件資源都是遠遠超出的；所以能單向耦合解決的問題，盡量避免用雙向耦合；

        2、雙向耦合調試過程要有心理準備

        雙向耦合過程涉及到的內容太多了，發散的原因包括網格質量不高、動網格參數設置不合理、運動變形設置錯誤、時間步長不合理、各類載荷施加不正確、前后數據傳遞量相差太大等等。既然要做雙向耦合過程，那么就需要足夠的耐心，根據工況描述、報錯信息等逐步判斷原因；

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        最后，宣傳一波，本人在技術鄰上有相應的流體專題課程，技術鄰官網搜索“隨波逐流”即可；