淺談流固耦合<2>：ANSYS中的流固耦合

胡坤

2013年1月1日 18:25

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在ANSYS軟件中使用流固耦合計(jì)算是很方便的。
在ANSYS中，進(jìn)行流體計(jì)算的軟件主要是FLUENT與CFX，而參與固體力學(xué)計(jì)算的模塊主要是APDL（俗稱的經(jīng)典模塊）與Mechanical。這四款軟件的中流體計(jì)算模塊與固體計(jì)算模塊的相互組合，即可構(gòu)成流固耦合計(jì)算方案。由于本人對(duì)于APDL的耦合計(jì)算應(yīng)用較少，因此本次不打算討論APDL在流固耦合上的應(yīng)用。
前面提到，流固耦合計(jì)算可分為單向耦合與雙向耦合，利用CFX或FLUENT與Mechanical的聯(lián)合仿真，可以實(shí)現(xiàn)單向耦合和雙向耦合。（需要注意的是：14.0之后的版本中才允許FLUENT通過System Coupling模塊與Mechanical實(shí)現(xiàn)雙向耦合計(jì)算，在之前的版本中FLUENT只能做單向耦合）。
1、單向耦合
單向耦合指的是只有一方求解器向另一方發(fā)送數(shù)據(jù)信息，另一方并不反回?cái)?shù)據(jù)。分為兩種情況：
（1）流體求解器向固體求解器發(fā)送壓力及溫度數(shù)據(jù)。這是最常見的單向耦合計(jì)算。通常用在固體熱應(yīng)力計(jì)算，或計(jì)算流體載荷在固體上產(chǎn)生的應(yīng)力。一般來說這種計(jì)算都是基于固體小變形假設(shè)，也就是說固體的形變對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生的影響可以忽略。
（2）固體變形對(duì)流場(chǎng)的影響。這種情況在實(shí)際計(jì)算過程中很少應(yīng)用到，因?yàn)榱黧w計(jì)算中的動(dòng)網(wǎng)格功能完全可以滿足要求。
2、雙向耦合
雙向耦合應(yīng)用于流體作用于固體變形耦合強(qiáng)烈的領(lǐng)域。通常需要考慮到固體變形對(duì)流場(chǎng)的影響。分為兩種情況：
（1）擾動(dòng)由流體引起。即流體流動(dòng)導(dǎo)致固體變形，固體變形引起流場(chǎng)的擾動(dòng)。如渦激振動(dòng)就是一種典型情況。
（2）擾動(dòng)由固體引起。固體變形引起流體流場(chǎng)擾動(dòng)，之后流體流場(chǎng)反作用與固體變形，研究其相互作用。
這兩種情況在實(shí)際應(yīng)用中都會(huì)經(jīng)常遇到。
OK，下面談一下如何在ANSYS中解決這幾類耦合問題。
case1：?jiǎn)蜗蝰詈?
一共包括四種組合方式，分別為FLUENT、CFX與穩(wěn)態(tài)靜力計(jì)算、瞬態(tài)靜力計(jì)算的組合。淺談流固耦合<2>：ANSYS中的流固耦合的圖1

圖1 FLUENT穩(wěn)態(tài)單向耦合

圖2 CFX穩(wěn)態(tài)單向耦合

其原理比較簡(jiǎn)單：將流體計(jì)算的壓力當(dāng)做靜載荷實(shí)際到結(jié)構(gòu)上，從而計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變。
case 2：?jiǎn)蜗蝰詈?
這種情況基本不會(huì)存在，ANSYS中取代這種情況的是雙向耦合計(jì)算。
case 3：雙向耦合1
雙向耦合通常都是瞬態(tài)計(jì)算。擾動(dòng)源為流體的計(jì)算方式如圖3、圖4所示。淺談流固耦合<2>：ANSYS中的流固耦合的圖4