來源：仿趣科技微信公眾號（ID：findjoy8），作者：安世亞太FSI組。

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流固耦合 (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與固體力學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。

流固耦合問題可以理解為既涉及固體求解又涉及流體求解，而兩者又都不能被忽略的模擬問題。因為同時考慮流體和結構特性，流固耦合可以有效節約分析時間和成本，同時保證結果更接近于物理現象本身的規律。所以，近年來流固耦合分析在工程設計，特別是虛擬設計和仿真中的應用，越來越廣泛和深入。

虛擬設計流程及流固耦合分析

從算法上講，ANSYS CFD、ABAQUS CFD、STAR CCM+等大型通用仿真平臺主要采用分離解法也就是載荷傳遞法求解流固耦合問題。但從數據傳遞角度出發，流固耦合分析還可以分為兩種：單向流固耦合分析和雙向流固耦合分析。其中，雙向耦合因為求解順序的不同又可分為順序求解法和同時求解法。

1 單向流固耦合

單向流固耦合分析指耦合交界面處的數據傳遞是單向的，一般是指把CFD分析計算的結果（如力、溫度和對流載荷）傳遞給固體結構分析，但是沒有固體結構分析結果傳遞給流體分析的過程。也就是說，只有流體分析對結構分析有重大影響，而結構分析的變形等結果非常小，以至于對流體分析的影響可以忽略不計。單向耦合的現象和分析非常普遍，比如熱交換器的熱應力分析、閥門在不同開度下的應力分析、塔吊在強風中的靜態結構分析、旋轉機械的結構強度分析等都屬于單向耦合分析。

另外，已知運動軌跡的剛體對流體的影響分析，在某種程度上也可以看作是一種單向耦合分析。如汽車通過隧道時對隧道內部氣流的影響分析，快啟閥在開啟過程中對流體流動的瞬間影響分析等。由于固體運動已知，且固體變形忽略不計，所以此類問題一般可以單獨在CFD求解器中完成，但是運動軌跡需要通過用戶自定義函數設定。

2雙向流固耦合

雙向流固耦合分析是指數據交換是雙向的，也就是既有流體分析結果傳遞給固體結構分析，又有固體結構分析的結果（如位移、速度和加速度）反向傳遞給流體分析。此類分析多用于流體和固體介質密度比相差不大或者高速、高壓下，固體變形非常明顯以及其對流體的流動造成顯著影響的情況。

常見的分析有擋板在水流中的振動分析、血管壁和血液流動的耦合分析、油箱的晃動和振動分析等。

一般來講，對大多數耦合作用現象，如果只考慮靜態結構性能，采用單向耦合分析便足夠，但是如果要考慮振動等動力學特性，雙向耦合分析必不可少，也就是說雙向耦合分析很多是為了解決振動和大變形問題而進行的，最典型的例子莫過于深海管道的激振問題。同理，如前所述，塔吊在強風中的靜態結構分析屬于單向耦合分析，但是如果考慮塔吊在強風中的振動情況，就需要采用雙向耦合進行分析。