隨著對高負荷、低重量的性能要求，風扇/壓氣機的葉尖速度以及葉片的柔性逐漸增大，尤其是對大涵道比的風扇葉片而言，其葉片頂部振動幅值可高達數毫米。如此大振幅的葉片振動將對葉頂間隙等處流場產生較大影響，進而影響風扇/壓氣機的效率、性能和穩定性。傳統葉片流固耦合方法在處理風扇/壓氣機氣動彈性問題時通常面臨以下挑戰：

• 單向流固耦合仿真：在跨音葉柵流場中，葉片大幅振動會對邊界層分離、激波以及葉頂泄露流產生強烈相互作用而形成強耦合多物理場，難以進行單向耦合解耦；

• 基于頻域分析的多物理場仿真：無法準確模擬整個時間歷程下的結構振動情況和流場流動形態，難以對葉片流動與振動的相互作用進行詳細研究；

• CFD軟件與結構軟件之間數據交互復雜、操作繁瑣：不利于工作繁重的工程技術人員快速學習和使用，難以用于工程實際。

針對上述難點，Ansys基于葉輪機專用氣動仿真軟件CFX和結構仿真軟件Mechanical，在Workbench平臺下采用CFX + Mechanical雙向流固耦合方法對整個時域歷程下的葉片流動和振動耦合狀況進行高效、高精度仿真分析。該解決方案操作流程簡明、計算精度高，是目前商業軟件中較為成熟的雙向流固耦合解決方案，適合于對跨音、大展弦比風扇/壓氣機葉片進行雙向流固耦合仿真分析。雙向流固耦合技術按照解耦程度可以大致劃分為3種：

• 雙向顯式流固耦合：在每個時間步長內，流體和結構求解不進行迭代，直接進行數據交互傳輸，計算速度快；只適用于弱耦合問題，強耦合物理問題精度較低；

• 強耦合流固耦合：流體和固體求解方程組在同一矩陣中同時求解，求解過程非常復雜、不易收斂，多用于學術研究領域；

• 雙向隱式流固耦合：流體方程和結構方程單獨分開在不同的求解器求解，在每個時間步長內流體和結構分別迭代求解，直至交界面上的數據完全收斂。

Ansys基于雙向隱式耦合方法進行雙向流固耦合求解，在每個時間步內CFX和Mechanical分別對流場和結構場進行隱式迭代求解，并通過預先設定的流固耦合交界面傳遞數據，待流固耦合交界面傳遞數據收斂后，進行下一個時間步計算直至最終計算完成，該方法在保證求解精度的同時極大提高了求解速度和收斂性，適合于工程應用。

Ansys 雙向隱式流固耦合仿真分析數據流程

Ansys雙向流固耦合解決方案具有如下優勢：

Ansys雙向流固耦合求解方法基于雙向隱式流固耦合算法發展而來，按迭代順序形成三重嵌套迭代求解：

• 單物理場迭代求解Field Loop：對單一流場、溫度場、結構場進行隱式迭代求解，獲得收斂后單物理場結果；

• 耦合多物理場迭代求解Coupling Loop：在預先設定的流固耦合交界面上，將氣動載荷/溫度場傳輸給結構場、幾何變形/固體溫度傳輸給流場，迭代求解獲得收斂后耦合多物理場結果；

• 瞬態時間步迭代求解Time Loop：流場和結構場按照預先設定的總時長和時間步長進行時域迭代求解，獲得最終收斂后隨時域變化的雙向流固耦合求解結果。

Ansys 流固耦合三重嵌套隱式迭代求解循環結構

以上三重嵌套迭代求解方式在保證雙向耦合計算結果精度的同時，極大提升了求解速度和收斂性，在遭遇收斂性或求解精度問題時，工程師也可方便的進行問題剖析和排查。

Ansys提供高質量葉輪機械六面體網格劃分工具TurboGrid，可方便快捷的對單級或多級風扇/壓氣機葉片進行全自動、高質量流體網格的劃分創建。Ansys TurboGrid采用參數化網格生成模板技術，針對軸流、離心、徑流等多種葉輪機械結構自動提供多種拓撲結構，并可根據葉片扭曲程度自動調整網格質量。

Ansys CFX提供基于網格剛度Mesh Stiffness自動調整網格變形的穩健動網格技術，設置簡便、快捷，獨有的網格滑移+動網格變形技術可在保證網格高質量的前提下準確模擬葉片扭曲變形時葉頂間隙的變化。

雙向流固耦合分析涉及流體/固體幾何模型前處理、流體/結構仿真軟件的操作使用和數據傳遞，對于設計任務繁重的工程師來說無疑是一個不小的挑戰。基于Ansys Workbench集成操作平臺，用戶可在該平臺搭建整個雙向流固耦合分析的流程模板并同時進行參數優化和產品設計優化，具有無可比擬的易用性，相關數據可以在各個模塊間自動傳遞，大大減少了工程師的工作量，工作流程可以保存為固定模板，方便缺乏經驗的工程師快速掌握分析流程。

不同于傳統雙向耦合求解過程中的復雜設置和操作，最新的Ansys 2020版本將絕大部分耦合求解設置和計算監測集中到新增的耦合求解模塊System Coupling。用戶可在System Coupling界面下進行雙向流固耦合時間步長、耦合交界面、備份數據存儲設置，流場、結構場、耦合場計算求解迭代過程的監測。

基于上述內容，在Ansys Workbench集成平臺下，工程師可方便快捷地調用葉輪機氣動仿真軟件CFX以及結構仿真軟件Mechanical，通過Ansys專用多物理場耦合模塊System Coupling，高效、高精度的完成對風扇/壓氣機葉片的雙向流固耦合仿真分析！

1. 基于流固耦合的壓氣機葉片氣動彈性穩定性研究，史久志，華北電力大學

Ansys CFX 是一款高性能計算流體動力學 (CFD) 軟件工具，能快速穩健地提供準確可靠的解決方案，適用于眾多 CFD 和多物理場應用。CFX 在葉輪機械仿真方面，例如泵、風扇、壓縮機以及氣壓和液壓渦輪等，具有卓越精確度、魯棒性和速度，因此獲得廣泛認可，多年來備受工程師青睞，常用于解決各種各樣的流體問題。