淺談流固耦合<1>：一些常識(shí)
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流固耦合力學(xué)是研究流體與固體相互作用下相關(guān)力學(xué)行為的一門(mén)學(xué)科。在現(xiàn)實(shí)世界中，很多領(lǐng)域都涉及到流固耦合問(wèn)題，如能源、水利、化工、船舶、交通運(yùn)輸?shù)取Ｔ趩渭兊挠?jì)算流體力學(xué)中，固體常常當(dāng)做剛性壁面處理，涉及到固體內(nèi)部物理現(xiàn)象計(jì)算的也僅僅是熱傳導(dǎo)。對(duì)于固體力學(xué)領(lǐng)域中所考慮的固體內(nèi)應(yīng)力的計(jì)算，計(jì)算流體力學(xué)則顯得束手無(wú)策。而對(duì)于流動(dòng)問(wèn)題計(jì)算，固體力學(xué)中普遍采用的有限元方法則又存在種種困難。流固耦合方法則是聯(lián)合了固體力學(xué)計(jì)算與流體力學(xué)計(jì)算，以求解流體導(dǎo)致的固體變形，或由于固體變形影響流場(chǎng)的問(wèn)題。
在進(jìn)行流固耦合計(jì)算之前，需要對(duì)其中涉及的一些常識(shí)有所了解。以下是一些流固耦合問(wèn)題的基本常識(shí)。
1、流固耦合計(jì)算適合的場(chǎng)合
流固耦合計(jì)算由于要聯(lián)合流體仿真與固體仿真，因此計(jì)算開(kāi)銷很大。對(duì)于一些可以簡(jiǎn)化為單場(chǎng)計(jì)算的問(wèn)題，則應(yīng)當(dāng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。流固耦合主要應(yīng)用于一下場(chǎng)合：
（1）流場(chǎng)與固體應(yīng)力場(chǎng)耦合緊密。換句話說(shuō)，流體流動(dòng)導(dǎo)致的固體變形不可忽略，或者固體變形是所感興趣的內(nèi)容，此時(shí)則需要采用流固耦合計(jì)算。
（2）固體變形會(huì)影響到流場(chǎng)的分布。實(shí)際上和第一點(diǎn)是一回事。比如說(shuō)飄揚(yáng)中的旗幟，其變形會(huì)影響到周圍的流動(dòng)分布。
共軛傳熱問(wèn)題雖然涉及到固體，但是并不需要采用流固耦合計(jì)算，因流體求解器可以計(jì)算熱傳導(dǎo)方程。
2、流固耦合分類
通常有兩種分類方式。按求解方程分類可以將流固耦合分為強(qiáng)耦合和弱耦合，按求解順序可以將流固耦合問(wèn)題分為單向耦合和雙向耦合。
強(qiáng)耦合：流體計(jì)算與固體計(jì)算聯(lián)立求解。由于固體方程與流體方程存在很大的差異，聯(lián)立求解困難重重。目前還沒(méi)有一款商業(yè)軟件可以求解強(qiáng)流固耦合問(wèn)題。
弱耦合：流體方程和固體方程分別單獨(dú)求解，然后在迭代步中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。目前的流固耦合基本上都是采用弱耦合。由于存在時(shí)間差，所以與現(xiàn)實(shí)情況存在一定的誤差。單向耦合與雙向耦合主要是針對(duì)弱耦合求解。
前面提到弱耦合需要在固體和流體求解器間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因此便存在單向耦合和雙向耦合的問(wèn)題。
在這里插一句：通常固體求解器向流體求解器發(fā)送的是位移，而流體求解器向固體求解器發(fā)送的是壓力及溫度等。
單向耦合：?jiǎn)蜗驍?shù)據(jù)發(fā)送。通常只是一方求解器向另一方求解器發(fā)送數(shù)據(jù)，另一方求解器并不會(huì)返回?cái)?shù)據(jù)。比如說(shuō)計(jì)算射流沖擊固體，若固體應(yīng)力應(yīng)變可忽略的話，則可以用單行耦合計(jì)算。此時(shí)流體求解器只是發(fā)送壓力數(shù)據(jù)到固體求解器，固體求解器并不會(huì)返回位移數(shù)據(jù)到流體求解器。
雙向耦合：固體求解器和流體求解器均會(huì)發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)給對(duì)方。比如說(shuō)前面提到的迎風(fēng)招展的旗幟。
3、能夠進(jìn)行流固耦合計(jì)算的軟件
目前能夠進(jìn)行流固耦合的商用軟件挺多，而且功能也很強(qiáng)大，那么當(dāng)前進(jìn)行流固耦合計(jì)算的主流軟件及配置有哪些呢？以下是一些常見(jiàn)的 計(jì)算軟件。
（1）Adina。這個(gè)軟件比較老牌，而且功能也很強(qiáng)大，長(zhǎng)于固體非線性計(jì)算。目前新版本增加了不少新功能特性。此軟件包含有ADINA CFD模塊，可以和結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行單、雙向流固耦合計(jì)算。缺點(diǎn)在于前后處理界面不太友好，可能是我使用不熟練的原因。
（2）COMSOL。另一款可以進(jìn)行流固耦合計(jì)算的軟件。目前勢(shì)頭很火，具體功能不詳。
（3）ANSYS。目前ANSYS中進(jìn)行流固耦合主要是利用CFX和Fluent進(jìn)行流體計(jì)算，而固體計(jì)算則采利用ANSYS Mechanic模塊。雙向耦合主要是利用CFX，不過(guò)14.0之后版本的FLUENT可以利用SYSTEM COUPLING模塊實(shí)現(xiàn)雙向耦合。單向耦合則不成問(wèn)題。
（4）STAR CCM+聯(lián)合ABAQUS。STAR CCM+本身可以利用有限體積法計(jì)算固體應(yīng)力，單獨(dú)的CCM+可以實(shí)現(xiàn)單向耦合。不過(guò)要計(jì)算雙向耦合則需要借助ABAQUS。
（5）MPCCI。這并非一款計(jì)算軟件，而是一個(gè)中間軟件，相當(dāng)于一個(gè)通訊器，用于流體計(jì)算與固體計(jì)算中數(shù)據(jù)交換。
在進(jìn)行流固耦合計(jì)算之前，需要對(duì)其中涉及的一些常識(shí)有所了解。以下是一些流固耦合問(wèn)題的基本常識(shí)。
1、流固耦合計(jì)算適合的場(chǎng)合
流固耦合計(jì)算由于要聯(lián)合流體仿真與固體仿真，因此計(jì)算開(kāi)銷很大。對(duì)于一些可以簡(jiǎn)化為單場(chǎng)計(jì)算的問(wèn)題，則應(yīng)當(dāng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。流固耦合主要應(yīng)用于一下場(chǎng)合：
（1）流場(chǎng)與固體應(yīng)力場(chǎng)耦合緊密。換句話說(shuō)，流體流動(dòng)導(dǎo)致的固體變形不可忽略，或者固體變形是所感興趣的內(nèi)容，此時(shí)則需要采用流固耦合計(jì)算。
（2）固體變形會(huì)影響到流場(chǎng)的分布。實(shí)際上和第一點(diǎn)是一回事。比如說(shuō)飄揚(yáng)中的旗幟，其變形會(huì)影響到周圍的流動(dòng)分布。
共軛傳熱問(wèn)題雖然涉及到固體，但是并不需要采用流固耦合計(jì)算，因流體求解器可以計(jì)算熱傳導(dǎo)方程。
2、流固耦合分類
通常有兩種分類方式。按求解方程分類可以將流固耦合分為強(qiáng)耦合和弱耦合，按求解順序可以將流固耦合問(wèn)題分為單向耦合和雙向耦合。
強(qiáng)耦合：流體計(jì)算與固體計(jì)算聯(lián)立求解。由于固體方程與流體方程存在很大的差異，聯(lián)立求解困難重重。目前還沒(méi)有一款商業(yè)軟件可以求解強(qiáng)流固耦合問(wèn)題。
弱耦合：流體方程和固體方程分別單獨(dú)求解，然后在迭代步中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。目前的流固耦合基本上都是采用弱耦合。由于存在時(shí)間差，所以與現(xiàn)實(shí)情況存在一定的誤差。單向耦合與雙向耦合主要是針對(duì)弱耦合求解。
前面提到弱耦合需要在固體和流體求解器間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因此便存在單向耦合和雙向耦合的問(wèn)題。
在這里插一句：通常固體求解器向流體求解器發(fā)送的是位移，而流體求解器向固體求解器發(fā)送的是壓力及溫度等。
單向耦合：?jiǎn)蜗驍?shù)據(jù)發(fā)送。通常只是一方求解器向另一方求解器發(fā)送數(shù)據(jù)，另一方求解器并不會(huì)返回?cái)?shù)據(jù)。比如說(shuō)計(jì)算射流沖擊固體，若固體應(yīng)力應(yīng)變可忽略的話，則可以用單行耦合計(jì)算。此時(shí)流體求解器只是發(fā)送壓力數(shù)據(jù)到固體求解器，固體求解器并不會(huì)返回位移數(shù)據(jù)到流體求解器。
雙向耦合：固體求解器和流體求解器均會(huì)發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)給對(duì)方。比如說(shuō)前面提到的迎風(fēng)招展的旗幟。
3、能夠進(jìn)行流固耦合計(jì)算的軟件
目前能夠進(jìn)行流固耦合的商用軟件挺多，而且功能也很強(qiáng)大，那么當(dāng)前進(jìn)行流固耦合計(jì)算的主流軟件及配置有哪些呢？以下是一些常見(jiàn)的 計(jì)算軟件。
（1）Adina。這個(gè)軟件比較老牌，而且功能也很強(qiáng)大，長(zhǎng)于固體非線性計(jì)算。目前新版本增加了不少新功能特性。此軟件包含有ADINA CFD模塊，可以和結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行單、雙向流固耦合計(jì)算。缺點(diǎn)在于前后處理界面不太友好，可能是我使用不熟練的原因。
（2）COMSOL。另一款可以進(jìn)行流固耦合計(jì)算的軟件。目前勢(shì)頭很火，具體功能不詳。
（3）ANSYS。目前ANSYS中進(jìn)行流固耦合主要是利用CFX和Fluent進(jìn)行流體計(jì)算，而固體計(jì)算則采利用ANSYS Mechanic模塊。雙向耦合主要是利用CFX，不過(guò)14.0之后版本的FLUENT可以利用SYSTEM COUPLING模塊實(shí)現(xiàn)雙向耦合。單向耦合則不成問(wèn)題。
（4）STAR CCM+聯(lián)合ABAQUS。STAR CCM+本身可以利用有限體積法計(jì)算固體應(yīng)力，單獨(dú)的CCM+可以實(shí)現(xiàn)單向耦合。不過(guò)要計(jì)算雙向耦合則需要借助ABAQUS。
（5）MPCCI。這并非一款計(jì)算軟件，而是一個(gè)中間軟件，相當(dāng)于一個(gè)通訊器，用于流體計(jì)算與固體計(jì)算中數(shù)據(jù)交換。
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