CFD專欄丨HyperWorks多物理場仿真：流固耦合
背景介紹
最初的流固耦合FSI(Fluid-Solid Interaction)專指研究流體載荷對彈性結構的影響，例如飛機機翼氣動彈性問題，船舶螺旋槳的水彈性問題，核反應堆燃料棒的渦激振動問題等等。在數值仿真領域FSI概念擴展到一般性的CFD模型和FEA模型的數據交換問題。
FSI真實案例：大橋與風場組成了耦合系統，大風產生了一定頻率的卡門渦脫落，這個頻率與耦合系統中的結構固有頻率相近，使系統發生了共振，大橋劇烈晃動直至崩塌。
大橋劇烈晃動直至崩塌
HyperWorks的流體求解器AcuSolve流固耦合分析分為四種情況：
分析穩態的流場壓力和溫度場對固體變形的影響，也叫 TFSI (Thermal-FSI)屬于單向耦合；
分析流體動載荷引起的固體振動現象，也叫P-FSI (Practical FSI)，屬于單向耦合；
瞬態流動引起固體大變形，并反饋給流場，也叫DC-FSI (Direct Coupling FSI)，屬于雙向耦合。
固體本身的變形量很小，可以認為是剛體，但是整體產生比較大的位移，可以采用CFD耦合MBD多體動力學分析，也屬于雙向耦合。
以上幾種分析都可以在SimLab模塊中完成，流固交界面的耦合數據在后臺傳遞，無需用戶編輯腳本。
TFSI模型的計算代價最小，通常用于流體靜載荷或溫度梯度引起的固體小變形，例如汽車排氣管的熱應力，發動機水套的熱應力，車燈的熱應力等等場景。
排氣歧管的TFSI分析案例
AcuSolve模型的管路入口為高溫高壓氣體，管路出口為大氣壓和環境溫度，管路外壁面是自然對流散熱邊界。AcuSolve結果傳遞給求解器OptiStruct再分析管路的熱應力和變形。
AcuSolve模型的邊界
OptiStruct模型的約束
AcuSolve分析溫度場
OptiStruct分析變形量
SimLab發動機殼體的TFSI分析案例
P-FSI計算代價中等。首先進行OptiStruct的模態分析，將模態頻率和振型（*op2文件）傳遞給AcuSolve，模態向量從固體網格映射到流體網格的濕表面上。接著打開ALE動網格開關，Moving Mesh → Computed求解濕表面的變形。需要注意的是：P-FSI固體變形必須在線性范圍內，無法考察固體內的真實應力，但是可以評估結構的疲勞水平。
P-FSI案例
海洋工程上采用的圓柱形斷面結構物，在洋流沖刷下產生周期性脫落的旋渦，由此產生脈動壓力，引發結構的周期性振動，這種規律性的管體振動反過來又會改變旋渦的頻率。如果卡門渦頻率和結構模態吻合，振幅會達到最大。這種現象也稱為“渦激振動”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。
安裝了擾流片的海工結構
AcuSolve的ALE動網格
圓形截面管振動幅度較大
安裝擾流片改變了卡門渦頻率，從而減少了結構振幅
射流主動控制技術
除了安裝擾流片，也可以在結構的表面安裝射流裝置，同樣可以改變卡門渦的頻率，從而破壞VIV的“吻合”效應。
圓柱繞流的卡門渦
無射流控制
有射流控制
流體側向力的時間歷程曲線
無射流控制（藍色），有射流控制（紅色）
大型的結構或建筑也要考慮風載荷的激勵。一方面改變風渦脫落頻率，或者通過安裝加強筋，配重等手段改變結構的固有頻率，避免嚴重的VIV現象。
案例：風力發電機的葉片在強風下產生顯著變形，不僅會改變葉片的空氣動力學性能，如果翼尖變形量過大，甚至會影響塔架安全。
風力發電機風洞試驗
OptiStruct分析葉片的振動形式：擺振和扭轉
2葉片風力機的外流場和翼尖的變形曲線
案例：100米長風力機葉片的P-FSI分析
OptiStruct葉片模態分析
AcuSolve計算葉片外流場
AcuSolve計算葉片的變形
案例：大型天線的風載荷分析（靜載荷和風振）
大型天線的風振FSI分析
案例：路牌的風振分析
案例：賽車尾翼的風振分析
除了VIV， 還有一類現象，叫做VIM (Vortex Induced Motion)，分析剛體在流體載荷下的運動規律。
VIM案例：復雜的圓柱繞流問題
AcuSolve輸出流體載荷，更新固體的位移，MotionSolve 接受流體載荷并求解固體速度/加速度/位移。
VIM案例：AcuSolve模擬水池晃動，耦合連桿機構運動
MotionSolve的濕表面必須是剛體，其余部分可以是柔性體，分析結構應力應變。
VIM案例：海工結構在洋流下的運動
DC-FSI同時計算 AcuSolve 和 OptiStruct 模型，在相同的時間步交換數據，計算代價最大。可以考慮固體的大變形和材料非線性，并評估固體變形的真實應力。
DC-FSI原理圖
隔膜閥DC-FSI分析案例
隔膜閥置于軸向流道,隔膜材料能承受較大變形, 在大流量下隔膜產生形變，逐步減小過流面積，起到自動節流的效果。
隔膜閥的瞬態流場
隔膜閥的Von Mises 應力
隔膜閥中心點位移
DC-FSI分析案例：海浪沖擊載荷評估
DC-FSI分析案例：油箱防浪板的沖擊變形
總 結
首先用戶判斷FSI問題屬于哪一類，采取合理假設，降低計算代價。
流固交界面的網格不要求節點一一匹配，但是如果流體側和固體側的網格尺寸差太多，可能會造成數據映射的誤差。
P-FSI和DC-FSI的流體都要求是瞬態計算，估算時間步長，既要滿足振動最高頻率的要求，還要滿足一個時間步內網格變形量不能過大（否則造成CFD網格負體積而發散）。
避免在一個時間步內傳遞很大的力給OptiStruct，或反之，在一個時間步內傳遞很大的位移給AcuSolve。可以通過增加一個Multiplier的方法分步加載，提高FSI耦合計算的收斂穩定性。
HyperWorks的FSI計算可以跨平臺，比如把AcuSolve計算放在Linux的集群上，而OptiStruct的計算放在Windows的臺式機，通過TCP端口進行網絡通訊。
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