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 一、概述     

        隨著計算科學以及數值分析方法的不斷發展，流固耦合或交互作用 （fluid structure coupling 或 fluid structure interaction）研究從 20 世紀 80 年代以來，受到了世界學術界和工業界的廣泛 關注。流固耦合問題是流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）與固體力學 （Computational Solid Mechanics，CSM）交叉而生成的一門力學分支，同時也是多學科或多物理場研究的一個重要分支，它是研究可變形固體在流場作用下的各種行為以及固體變形對流場影響這二者相互作用的一門科學。了解流固耦合對于許多產品的設計至關重要。如果不考慮流體與固體之間的相互影響，則會導致產品性能被過高或過低估計。

    流固耦合一般分為單向耦合與雙向耦合。如果結構變形非常小，并且可以認為結構的變形幾乎不會對流場的各項參數產生影響，或產品本身不允許在流體的作用下發生較大的變形，這種情況下只需要先求解出流體與固體界面上的壓強數據，并將壓強數據傳導到固體的表面進行結構力學計算。然而，如果結構發生大變形，流體的速度和壓力場就會因此發生改變，此時我們需要將其作為雙向耦合問題進行多物理場分析：流體流動和壓力場會影響結構變形，而結構變形又反過來影響流體的流動和壓力。實際工況中選擇進行單向耦合分析還是雙向耦合分析需要根據實際產品及作用工況進行判斷。

    本文將執行一個單向流固耦合分析流程，先在Hypermesh前處理器進行流體域的建立和CFD網格劃分，然后導入至Fluent求解器進行流場計算，得到流體與固體界面的壓強信息，隨后將Fluent中計算得到的壓力信息映射至結構網格上，并使用Optistruct求解器進行結構力學分析。

二、問題描述

    在一個半圓形管道內部有一凸起物體，管道內水流速度為10m/s

    該凸起物體為空心結構，內部有加強筋，加強筋與外型面壁厚都為2mm，以下為凸起物體的內部結構示意

    將計算在恒定的水流下，該凸起結構受到水流沖擊后的變形及應力情況。

三、流場計算

（1）流體域建模

    導入幾何模型至Hypermesh

    提取管道內表面與凸起物體的外表面，并將管道兩頭封堵上，并修復拓補關系，形成一個封閉的流體域空間，將管道的一端作為流體的入口，另一端作為出口，如下圖所示。  

    將各個面根據其邊界條件類型的不同組織分布到不同的component里面，并按照類型進行命名，wall類型邊界條件則將component的命名以wall為起始，入口類型邊界條件以inflow為命名起始，出口類型邊界條件以outflow為命名起始，流體網格則以fluid為命名起始，固體網格則以solid為起始，如下圖。按照這種規則命名導入Fluent后邊界條件類型可以被自動識別，只需調整其參數即可。

    用2d>automesh命令將邊界面劃分網格，將需要關注的凸起位置的網格細化，管道壁則可以用稍粗的網格，減少計算量。

    使用3d>CFD tetramesh命令進行流體網格劃分,，選擇需要做邊界層的comp和不需要做邊界層的comp，兩種comp需要能構成完整封閉的空間才能生成實體流體域網格：

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    流體網格生成完畢，可查看其內部實體網格：

    新建一個以fluid為起始命名的comp，將剛才生成的實體的四面體流體網格移動到該comp內，完成后的comp如下：

（2）導出網格     

        到這一步網格已經做好了，現在將該網格模型導入Fluent。先將模板切換到CFD：

    導出網格，導出過程中的提示直接確定。

    （3）導入Fluent并計算流場

    打開Fluent軟件，切換到solution模塊下：        

    導入CFD網格：

    注意單位問題，在Hypermesh內一般使用的是毫米單位，Fluent默認使用的米單位，因此需要將模型整體縮小1000倍

    設置入口邊界流入速度：

創建水的流體材質：

將水的材質賦給流體域：

    求解：

計算結果-表面靜壓：

        到這一步便完成了從Hypermesh前處理劃分網格到Fluent里面進行流場計算，得到關注位置的壓強分布，下一篇博客將展示如何將流場計算結果單向耦合至結構網格上，進行結構力學計算。

        注：本文僅展示分析流程，對計算準確度暫無細糾。

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