流體作用下彎曲管道單向流固耦合計算分析

1 實例說明

工業(yè)管道系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)彎管。流體介質(zhì)流經(jīng)彎曲管道時，管壁承受流體賦予的壓力。不均勻的壓力分布會對管道產(chǎn)生額外的應(yīng)力。采用ANSYS CFD單向流固耦合可以計算管道所承受的應(yīng)力應(yīng)變。本教程以彎管應(yīng)力分析為例，描述利用ANSYS Fluent及ANSYS靜力分析模塊進(jìn)行單向流固耦合計算的步驟。

2 計算思路

眾所周知，CFD計算的目的是為了獲取計算空間中的壓力、速度、溫度等物理量分布，而結(jié)構(gòu)有限元計算的目的是為了獲取結(jié)構(gòu)件上應(yīng)力、應(yīng)變和位移等物理物理量。單向流固耦合計算的基本思路為：利用CFD軟件計算壁面上壓力分布，并將壓力值作為載荷加載到固體構(gòu)件上，利用有限元軟件計算固體應(yīng)力應(yīng)變。

單向流固耦合計算的數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

圖1數(shù)據(jù)流程

3 計算模型

計算幾何模型如圖所示。

圖2計算幾何模型

圖3 DM中創(chuàng)建的幾何模型（既包含流體，也包含固體）

4流體計算設(shè)置

雙擊B3單元格進(jìn)行流體網(wǎng)格劃分。在mesh中進(jìn)行邊界命名，如圖4所示。采用掃描方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用網(wǎng)格尺寸為5mm，生成的流體計算網(wǎng)格如圖5所示。

圖4邊界命名

圖5流體計算網(wǎng)格

返回至FLUENT中進(jìn)行流體計算設(shè)置。

圖6采用壓力基求解器

圖 7采用Realizable k-e湍流模型

圖 8選擇water-liquid為工作介質(zhì)

圖9設(shè)置計算域中材料介質(zhì)為water-liquid

圖 10設(shè)置入口速度2m/s

圖 11設(shè)置出口類型為outflow

圖 12初始化設(shè)置

圖 13設(shè)置迭代200步求解計算

圖 14壁面壓力分布

圖15切面上速度分布

5 固體計算設(shè)置

返回至工程面板，雙擊C3單元格進(jìn)入固體網(wǎng)格設(shè)置模塊。

網(wǎng)格劃分過程此處不詳述，需要注意的是，盡量保證固體網(wǎng)格與流體網(wǎng)格尺寸相當(dāng)。生成網(wǎng)格如圖16所示。

圖 16固體計算網(wǎng)格

圖 17插入壓力

按幾何對應(yīng)關(guān)系插入流體壓力。

設(shè)置管道兩頭為固定約束，如圖18所示，進(jìn)行求解計算。

圖18約束定義

圖 19應(yīng)力分布