一.流固耦合面臨的挑戰
結構設計的高度專業化。在結構設計上，不確定性越高，設計就會越保守。要開發安全產品又不過于保守就要消除這種不確定性，因此有必要準確地知道結構在工作中負載對它起到的作用，流固耦合是精確預測流動載荷的關鍵技術。比如著名的塔科馬海峽大橋，設計師兼顧了觀賞性和建造成本，但微風就能引氣橋面劇烈晃動，最終僅建成四個月就被摧毀，這是典型的流固耦合問題。
結構的輕量化趨勢。輕量型結構與傳統結構相比具有更小的重量，剛度也是如此，這反過來又增加了結構和流體之間的物理耦合程度。
創新需求。對于輪機、管路、翼型等，預測系統或部件在流體流動下的性能是此類產品創新的關鍵。比如風機葉片，長達數十米，工作狀態時必然存在葉片變形，有必要分析風載荷對結構強度的影響，葉片變形對發電效率的影響，這樣才能更好的指導葉片設計的改進。
二.流固耦合技術需求
按照結構與流體間相互影響的程度，可以把流固耦合分為單向耦合和雙向耦。
單向耦合是一種弱耦合，通常結構小變形、振動時，只需考慮流動載荷對結構變形的單向影響；雙向耦合是強耦合，當流動引起結構的加大變形，同樣結構的變化對流動的影響也不能忽視。
關鍵技術需求
1）求解器離散方式的選擇，這會影響到流固耦合模擬的精度；
2）流體求解器和固體求解器間的數據交互；
3）流固耦合交界面上非共性網格的數據傳遞問題；
4）流體域中要反映結構的變形，需要流體網格變形模型。
1、流固耦合實現方式
STAR-CCM+中流固耦合實現方式大概為三種，基于文件的耦合、協同仿真和軟件內的耦合。
基于文件的耦合是通過存儲在計算機磁盤中的文件在程序間進行交換，能夠實現單向和雙向耦合。比如在STAR-CCM+內計算得到流場及溫度場，以第三方格式導出到結構模型，通過第三方工具內執行應力計算。此種方式支持Nastran、Abaqus、Ansys等。
協同仿真需要與其他結構軟件聯合求解，需要分別設置固體域模型和流體域模型，雖然也用到第三方軟件求解，但協同仿真使用協同仿真引擎來執行耦合，涉及兩個代碼之間的強耦合，仿真過程中兩個模型間自動交換數據，這種方式優于基于文件的耦合。STAR-CCM+支持與Nastran和Abaqus進行聯合仿真。
STAR-CCM+單個軟件內的耦合，STAR-CCM+能夠進行流體控制方程和結構控制方程的求解，可以使用有限體積的流動和有限元的結構來實現流固耦合仿真。
2、STAR-CCM+軟件內流固耦合技術優勢
1）成熟的離散化方法
STAR-CCM+采用了最成熟的求解方式，在單一環境中有限體積和有限元求解器實現緊密的求解耦合，有限體積（歐拉坐標系）是計算流體動力學中最成功、最通用、最成熟的離散化方法，有限元（拉格朗日坐標系）同樣是結構力學中非常成功、通用、成熟的方法。
2）消除軟件級數據交互
結構求解器和流體求解器處于同一環境內，無需額外的數據傳輸，實現求解的緊密耦合。而前面介紹的兩種耦合方法，基于文件的耦合和協同仿真都要與其他軟件通信，進行大量軟件級的數據交互。
3）映射接觸交界面
流固耦合交界面的處理是流固耦合計算中的關鍵技術。建立流固耦合模型時需要在流體域和固體域間添加交界面，但流體網格通常比固體網格更加精細，交界面網格節點不存在一一對應的關系，交界面間是非共形網格。STAR-CCM+中流固耦合交界面使用映射接觸交界面，這種交界面不是壓印連接，而是依賴于交界面各面之間的間接關聯，用于數據映射器，這樣做的好處是允許交界面上存在非共形網格、映射過程沒有網格發生壓印，能夠保留最初創建的高質量網格。
4）剛體運動與變形疊加
為了在流體域中反映結構的變形，需要建立網格變形模型。在一些流固耦合的應用中，結構在變形的同時經歷了較大的剛體變形，結構的位移是剛體運動和變形的組合。比如固定在船上的螺旋槳隨著船體晃動的同時在水中耦合變形，作用在螺旋槳上的流體載荷和剛體運動產生的加速度載荷作為載荷傳遞給螺旋槳的結構模型。結構模型計算產生位移，螺旋槳周圍的流體網格隨之變形。
STAR-CCM+提供了多種形式，可以根據實際模擬的運動情況選擇合適的方案，要注意的是某些運動形式只能完成雙向或單向耦合。
1、計算域模型
幾何模型為四葉風扇，固體域部分為扇葉。通過添加進口段和出口段，形成封閉的流體計算域，風扇通過滑移網格模擬，旋轉區域和固定區域之間通過Interface連接。
2、設置流程
3、固體域設置
1）網格采用定向網格（Directed Mesh）劃分，生成楔形網格，并采用高階單元。
2）物理模型選擇：
3）通過段（Segment）添加固定約束：
4）定義運動：添加旋轉運動節點，并更改固體域移動方式為旋轉。
4、流體域設置
5、計算結果
五.總結
STAR-CCM+提供了成熟的流固耦合方法，豐富的變形模型保證了其能在更多領域、場景中應用。通過流固耦合計算，能夠精確預測結構受到的流動載荷、結構的應力及變形。STAR-CCM+中，可以用上述案例的方法進行旋轉機械的流致振動的耦合計算，進行氣動彈性及響應分析等，流固耦合已經成為研究復雜非定常流動及葉片振動的有力工具。
