FSI流固耦合的案例
流固耦合
FSI流固耦合分析
流固耦合FSI分析1.rar
流固耦合FSI分析2.rar
CAE黑話：耦合場/順序耦合/直接耦合/流固耦合(FSI)
做CAE仿真，理清各類“耦合”概念是跨入多物理場分析的第一步。今天直接拆解4個核心黑話，建議工程師在做復(fù)雜系統(tǒng)仿真前明確這些基本定義。
耦合場 (Coupled Field) 真實(shí)物理世界中，聲、熱、力、電磁等物理場往往不是孤立存在的，它們相互影響的過程就是耦合。例如電機(jī)發(fā)熱導(dǎo)致結(jié)構(gòu)熱膨脹，這就涉及到電磁-熱-力多場耦合。
順序耦合 (Sequential Coupling) “串聯(lián)”解法。先計算物理場A，將A的結(jié)果（如溫度分布）作為外部載荷提取出來，單向傳遞給物理場B（如結(jié)構(gòu)場）進(jìn)行求解。優(yōu)點(diǎn)是計算成本低，適用于單向影響主導(dǎo)的場景。
直接耦合 (Direct Coupling) “并聯(lián)”解法。將多個物理場的自由度放在同一個大型剛度矩陣中，在一個求解器里同步迭代求解。適用于物理場之間相互作用強(qiáng)、必須實(shí)時反饋的場景（如壓電效應(yīng)）。精度極高，但極度消耗計算資源。
流固耦合 FSI (Fluid-Structure Interaction) 工程中最常見的一類耦合。流體的流動產(chǎn)生壓力使固體發(fā)生變形，而固體的變形又反過來改變了流體的流場（如風(fēng)機(jī)葉片形變、橋梁風(fēng)振）。按反饋程度也分為單向FSI和雙向FSI。
展開 流固耦合FSI分析
流固耦合FSI分析.part2.rar
流固耦合FSI分析.part1.rar
ADINA FSI 流固耦合模塊
中仿ADINA提供特有的FSI模塊，可以在同一系統(tǒng)中模擬流體和因大變形、非彈性、接觸及溫度而經(jīng)歷明顯的非線性響應(yīng)的結(jié)構(gòu)之間完全耦合的物理現(xiàn)象。一個完全耦合的流固耦合模型意味著固體的力學(xué)響應(yīng)將會很大程度地影響流體域變化，反過來流體的作用力也會施加到結(jié)構(gòu)上。
在流體力學(xué)層面，Navier-Stokes流可以是不可壓縮，弱可壓縮，低速或者高速可壓縮流體。從結(jié)構(gòu)的角度看，各種結(jié)構(gòu)單元類型都可以參與FSI過程（即殼單元，2D和3D結(jié)構(gòu)單元，梁單元，等參梁單元，接觸面等），支持各種材料模型、支持各種非線性物理過程如材料失效、單元生死、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、相變等等。此外，中仿ADINA還提供了針對流體是勢流理論的完全耦合的流固耦合模型。
ADINA流固耦合的特點(diǎn)
1.FCBI（（Flow-Condition-Based Interpolation））算法提供了很高的穩(wěn)定性，適用于從低雷諾數(shù)到高雷諾數(shù)的各種問題。
2.FSI分析可以實(shí)施于各種流體類型，包括不可壓縮，弱可壓縮，低速或者高速可壓縮流體。另外，所有的流體材料模型包括非牛頓流體，湍流模型和VOF法（多相流）都可用于FSI分析。
3.適用于所有的結(jié)構(gòu)單元，接觸和結(jié)構(gòu)材料模型（如彈性，粘彈性，橡膠，塑料等）都可以用于FSI求解。
4.勢流體單元可以用于聲波的分析，也可以用于結(jié)構(gòu)和聲波的耦合分析。
5.ADINA允許流體模型和結(jié)構(gòu)模型使用任意的網(wǎng)格。并且，流體和結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格在流固耦合界面上不需完全匹配。
6.在分析FSI模型時還可求解熱和多孔介質(zhì)的耦合。
7.在流體模型中可以使用間隙邊界條件-gap邊界條件（控制流體通道的開和關(guān)）。在中仿ADINA中，可將gap邊界條件與接觸功能聯(lián)合使用，以成功模擬汽車和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的閥門的關(guān)閉和開啟現(xiàn)象。
展開 
Fluent 內(nèi)置雙向流固耦合FSI 液艙晃蕩仿真計算（一）
本案例利用Fluent 內(nèi)置雙向流固耦合FSI對液艙晃蕩仿真展開了計算，提供了一種更為便捷快速的分析方法，對不同楊氏模量的液艙內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行分析，后續(xù)可以通過該案例對不同的雙向流固耦合模型展開計算分析。
1 SCDM 設(shè)置
1.1 導(dǎo)入幾何
本案例根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，建立了對應(yīng)的液艙幾何模型。H為0.3m，寬度B為0.45 m，液艙靜止自由液面高度h為0.09m(30%H）：柔性構(gòu)件的厚度b為0.005m,高度hb為0.045m(50%h），柔性構(gòu)件距液艙左壁x0為0.25 m，液艙的厚度為0.0075m。其中構(gòu)件底部面命名為wall3，液艙正對部分兩個面為wall-fluid1和2。構(gòu)件對應(yīng)的兩個面為wall1和2。構(gòu)件其余面為int，其余面為wall。
2 Fluent meshing 設(shè)置
2.1 網(wǎng)格劃分
根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行對應(yīng)的網(wǎng)格劃分，交界面與柔性構(gòu)件處要適當(dāng)加密。
3 FLUENT 設(shè)置
使用fluent內(nèi)置的雙向流固耦合時不能通過workbench打開fluent?。。?3.1 General設(shè)置與網(wǎng)格導(dǎo)入
由于本文考慮了液艙晃蕩，因此必須采用瞬態(tài)計算，同時為了更為便捷的進(jìn)行雙向流固耦合的動網(wǎng)格計算，此處采用重力加速度模擬晃蕩加速度。
3.2 晃蕩加速度設(shè)置
位移振幅為0.04m、頻率為0.92Hz。對位移進(jìn)行多次求導(dǎo)，即可獲得加速度公式，具體公式如下：
詳情可以參考上篇文章Fluent VOF罐體晃動（一）。
3.3 材料設(shè)置
由于是對液艙晃蕩問題展開仿真，因此需要采用水和空氣兩種材料，因此需要添加以下材料。
柔性構(gòu)件則直接選擇默認(rèn)鋁材料，只需調(diào)整楊氏模量即可。
3.4 模型設(shè)置
此處需要進(jìn)一步打開VOF模型。
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波浪及橫桿應(yīng)力動畫
橫桿形變
形變云圖
橫桿受流體的作用力
橫桿應(yīng)力云圖
計算過程文件、結(jié)果文件及需要用到的udf文件
全流程操作視頻，從創(chuàng)建幾何開始直到全部計算完成
ANSYS12+CFX12流固耦合(FSI)分析+HyperMesh9前處理最為詳盡教程
鑒于目前關(guān)于新版的流固耦合詳細(xì)教程太少，官方教程沒有圖文并茂。
另一方便，為了利用強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分軟件HyperMesh，我想大家還是希望能在HyperMesh中進(jìn)行前處理，畢竟學(xué)習(xí)Workbench前處理還很費(fèi)時費(fèi)力。
所以，在此我特意制作了一個最為詳盡的教程，免費(fèi)提供給大家。教程中解釋詳盡，圖文并茂，只要按照說明一步一步做下去，就能得到正確的分析結(jié)果。
提供一張計算結(jié)果圖片。
詳細(xì)教程請下載附件：流固耦合FSI分析.rar
并提供固體文件plate.rar和流體網(wǎng)格文件fluid.rar。
流固耦合FSI分析1.rar
流固耦合FSI分析2.rar
展開 LS-Dyna ICFD不可壓縮流心臟瓣膜模擬 ￥199
圖 3 ICFD根據(jù)流場壓力變化進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格重新剖分
2.3流體與結(jié)構(gòu)耦合分析
LS-Dyna求解器的主要目標(biāo)不僅是解決 Navier Stokes 方程，而且希望解決完全耦合的 FSI 流-固耦合問題，其中結(jié)構(gòu)部分可以是 任何拉格朗日模型。因此，力學(xué)問題的設(shè)置與傳統(tǒng)的 LS-DYNA 分析相同。所有 FSI 流-固耦合邊界都是拉格朗日變形，其結(jié)構(gòu)允許精確地施加邊界條件。結(jié)構(gòu)力學(xué)的顯式和隱式求解器 都可以被激活使用，從而可以實(shí)現(xiàn)弱 FSI 流-固耦合分析或強(qiáng) FSI 流-固耦合分析。
FSI 分析有三種耦合方向：
雙向耦合。載荷和位移通過 FSI 接口傳遞，解決了完整的非線性問題。
單向耦合。固體力學(xué)求解器將位移傳遞給流體求解器。
單向耦合。流體求解器將應(yīng)力傳遞給固體力學(xué)求解器。
圖 4 ICFD單向及雙向流固耦合
2.4湍流模型
在高雷諾數(shù)流動的情況下，對于正確地再現(xiàn)渦旋現(xiàn)象，依賴湍流模型的選擇，邊界層層流到湍流過渡和 其他湍流三維行為是至關(guān)重要的。以下幾種湍流模型可用：
RANS 模型。 RANS 方程確定平均流量，但它們需要湍流模型來關(guān)閉它們。這些方程由不同的 RANS 模 型提供，假設(shè)流動有不同的假設(shè)。
k-ε模型，這是 CFD 中使用最廣泛的湍流模型之一。
LES 模型。
展開 流固耦合經(jīng)驗總結(jié)
流固耦合經(jīng)驗總結(jié)
近來查看好多CFD分析的論壇，發(fā)現(xiàn)好多網(wǎng)友都在為流固耦合而頭大，且網(wǎng)上也沒有完整的、系統(tǒng)的案例可供參考，目前團(tuán)隊也在做流固耦合的問題，即為流體輸送固體顆粒的過程的模擬，好不容易找到了完整的解決辦法，不敢獨(dú)享，特奉獻(xiàn)于此。
首先在建模和條件設(shè)臵方面要按照這樣的設(shè)臵順序：
1) 選取流體單元，（打開keyopt（4）選項）,建立流體模型，注意此處挖去固體所占的空間，然后分區(qū)劃分流體場網(wǎng)格（好像在ls_dyna里面不要挖去固體所占空間），注意靠近挖去空間的部分網(wǎng)格應(yīng)該細(xì)小些，還有若要采用remesh在計算中重劃網(wǎng)格，一定要使用三角形單元（所有流體場）；
2) 流體場模型建立完成后，首先要在流固耦合的邊界上施加流體耦合標(biāo)簽FSI，然后在在流體場區(qū)域施加必要的邊界條件，諸如位移約束，速度、壓力等等。然后設(shè)臵求解流體場的時間步長、求解時間、流體屬性,打開ALE選項（瞬態(tài)分析）網(wǎng)格重畫屬性等等；
3) 這樣的工作完成后，進(jìn)入/prep7，加入固體單元，設(shè)臵固體材料屬性，在挖去的部分建立固體模型，劃分固體網(wǎng)格，在固體網(wǎng)格與流體場接觸的固體邊界上施加流體耦合標(biāo)簽FSI，注意要和前面的number相同；
4) 為固體實(shí)際必要的約束條件（看是固體推動流體還是流體推動固體）；
5) 設(shè)臵固體求解的時間步長和求解結(jié)束時間，設(shè)臵流固耦合屬性，（看是固體推動流體還是流體推動固體），求解時間步長和求解時間，收斂準(zhǔn)則，迭代次數(shù)等等；
6) 保存求解。
總之，在流固耦合分析中，你最好要按著先流體后固體再耦合的屬性設(shè)臵順序，流固耦合標(biāo)簽FSI要分別加在流固耦合邊界的流體邊界上和固體邊界上，加在的順序要按照上面所述。
展開 Altair網(wǎng)絡(luò)研討會---7月21日AcuSolve多物理場仿真
主題：HyperWorks for CFD:Simulating Reality with Multiphysics AcuSolve多物理場仿真
時間：2014-7-21 9：30AM~11：30 AM
內(nèi)容介紹：
HyperWorks軟件產(chǎn)品包含了完整了CAE/CFD前后處理和求解器功能，AcuSolve是基于GLS有限單元法的CFD求解器，可以仿真流動、傳熱和流固耦合等工程問題。本次webinar我們將結(jié)合例題講解AcuSolve的多物理場計算功能。
主要涉及以下方面內(nèi)容：
1. AcuSolve基本操作步驟
2. AcuSolve的數(shù)據(jù)傳遞
3. AcuSolve特有的P-FSI流固耦合方法
報名方式：
1，通過網(wǎng)絡(luò)注冊報名，注冊地址http://www.altair.com.cn/EventList.aspx?type=Web%20Seminar
2， Email報名, 請用中文發(fā)送您的中文姓名/單位/部門/職務(wù)/聯(lián)系電話/郵箱/詳細(xì)地址/郵編/行業(yè)等相關(guān)信息到info@altair.com.cn
展開 【流固耦合】降落傘充氣過程流固耦合分析
在充氣過程中，傘衣的結(jié)構(gòu)大變形與傘衣周圍流場變化的相互耦合是十分復(fù)雜的。因此，想要通過理論模型求解該過程是非常難以實(shí)現(xiàn)，而數(shù)值仿真技術(shù)將提供較好的解決思路。
降落傘的數(shù)值模擬是典型的流固耦合問題。解決該問題的主要思路是：應(yīng)用計算流體動力學(xué)模擬降落傘的流場特征，通過結(jié)構(gòu)有限元法模擬降落傘的結(jié)構(gòu)特性，然后把兩者通過迭代耦合的方式結(jié)合起來，完成降落傘的數(shù)值模擬。本案例采用有限元分析軟件LS-DYNA來求解分析降落傘的充氣過程。
首先建立傘衣幾何模型，初始狀態(tài)設(shè)定為半折疊狀態(tài)，如圖1所示，將其保存為stp格式并導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行前處理。確定傘繩初始長度，并設(shè)定頂點(diǎn)位置，通過line功能建立傘繩線條。根據(jù)幾何模型大小對流體域進(jìn)行建模，可設(shè)置為圓柱體域空間，選擇合適的尺寸對上述部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計算模型可參考圖2。
圖1 傘衣幾何模型
圖2 降落傘及流體域計算模型
傘衣材料選擇柔性紡織物材料，關(guān)鍵字為MAT_034,其密度為500kg/m3，彈性模量400MPa，泊松比0.15，厚度設(shè)置為2mm。傘繩選擇離散梁單元材料，關(guān)鍵詞為MAT_071，其中密度為400kg/m3，彈性模量97000MPa，截面積可自行設(shè)置。流體域賦予理想氣體，并設(shè)定空氣流速為80m/s。計算方法選擇ALE流固耦合算法。其余Card填充較為繁瑣，不在此贅述。計算結(jié)果展示如下：
圖3 不同時刻降落傘充氣狀態(tài)（0s；0.3s；0.6s；1s）
降落傘充氣展開視角1
降落傘充氣展開視角2
文章內(nèi)容轉(zhuǎn)自“云數(shù)仿真”微信公眾號
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【流固耦合】翼傘后緣偏轉(zhuǎn)過程的流固耦合動力學(xué)特性
翼傘后緣偏轉(zhuǎn)的操縱過程會顯著改變翼面的整體氣動布局，同時需要多根操縱繩精確協(xié)同控制，是典型的氣動與結(jié)構(gòu)緊耦合問題，涉及到的動力學(xué)問題復(fù)雜多變。對于翼傘系統(tǒng)操縱過程的動力學(xué)機(jī)理問題研究一直是降落傘領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和熱點(diǎn)問題。
本文基于 Structured ALE（S-ALE）流固耦合方法對翼傘后緣偏轉(zhuǎn)過程進(jìn)行動力學(xué)建模和仿真分析。研究翼傘三維模型后緣偏轉(zhuǎn)過程、傘衣結(jié)構(gòu)場和周圍流場的時變演化規(guī)律及分布特性，為進(jìn)一步指導(dǎo)大型翼傘精確空投系統(tǒng)的飛控系統(tǒng)設(shè)計和技術(shù)應(yīng)用提供參考。
流固耦合建模
本文所研究的翼傘后緣偏轉(zhuǎn)過程是針對充滿鼓包狀態(tài)的翼傘三維模型進(jìn)行的。翼傘系統(tǒng)包括傘衣、傘繩和掛重載荷，幾何模型如圖 1 所示。實(shí)際流固耦合仿真過程只考慮傘衣結(jié)構(gòu)與流場的雙向耦合作用；傘繩在翼傘偏轉(zhuǎn)過程承受拉力，且通過傘繩施加后緣下拉過程的作用力載荷；忽略傘繩與周圍流體的耦合作用和繩索的阻尼效應(yīng)。
圖 1 翼傘系統(tǒng)三維幾何模型
仿真方法驗證
為避免因流體和結(jié)構(gòu)單元之間尺寸差異過大而導(dǎo)致顯式動力學(xué)積分過程可能出現(xiàn)的非物理特征“沙漏現(xiàn)象”，進(jìn)而引起計算發(fā)散，流場網(wǎng)格尺寸與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸盡量接近1∶1，如圖 2 所示。
圖 2 翼傘氣室流固耦合仿真網(wǎng)格模型
本文采用 S-ALE 求解方法對流固耦合模型進(jìn)行仿真計算，S-ALE 方法與傳統(tǒng) ALE 方法的基本理論相同，均包括了映射過程的對流輸運(yùn)、界面重構(gòu)和歐拉流場與拉格朗日結(jié)構(gòu)相互作用的流固耦合過程。不同的是，在網(wǎng)格的處理方法上，S-ALE 方法采用自動生成網(wǎng)格技術(shù)，即流場網(wǎng)格根據(jù)控制點(diǎn)設(shè)定的方向、增長率、網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格密度等參數(shù)在仿真過程中隨著時間步的推進(jìn)逐漸產(chǎn)生，仿真前無需單獨(dú)建立流場網(wǎng)格。這可以極大減小網(wǎng)格處理時間并提高計算效率。
展開 淺談流固耦合<2>：ANSYS中的流固耦合
在ANSYS軟件中使用流固耦合計算是很方便的。
在ANSYS中，進(jìn)行流體計算的軟件主要是FLUENT與CFX，而參與固體力學(xué)計算的模塊主要是APDL（俗稱的經(jīng)典模塊）與Mechanical。這四款軟件的中流體計算模塊與固體計算模塊的相互組合，即可構(gòu)成流固耦合計算方案。由于本人對于APDL的耦合計算應(yīng)用較少，因此本次不打算討論APDL在流固耦合上的應(yīng)用。
前面提到，流固耦合計算可分為單向耦合與雙向耦合，利用CFX或FLUENT與Mechanical的聯(lián)合仿真，可以實(shí)現(xiàn)單向耦合和雙向耦合。（需要注意的是：14.0之后的版本中才允許FLUENT通過System Coupling模塊與Mechanical實(shí)現(xiàn)雙向耦合計算，在之前的版本中FLUENT只能做單向耦合）。
1、單向耦合
單向耦合指的是只有一方求解器向另一方發(fā)送數(shù)據(jù)信息，另一方并不反回數(shù)據(jù)。分為兩種情況：
（1）流體求解器向固體求解器發(fā)送壓力及溫度數(shù)據(jù)。這是最常見的單向耦合計算。通常用在固體熱應(yīng)力計算，或計算流體載荷在固體上產(chǎn)生的應(yīng)力。一般來說這種計算都是基于固體小變形假設(shè)，也就是說固體的形變對流場產(chǎn)生的影響可以忽略。
（2）固體變形對流場的影響。這種情況在實(shí)際計算過程中很少應(yīng)用到，因為流體計算中的動網(wǎng)格功能完全可以滿足要求。
2、雙向耦合
雙向耦合應(yīng)用于流體作用于固體變形耦合強(qiáng)烈的領(lǐng)域。通常需要考慮到固體變形對流場的影響。分為兩種情況：
（1）擾動由流體引起。即流體流動導(dǎo)致固體變形，固體變形引起流場的擾動。如渦激振動就是一種典型情況。
（2）擾動由固體引起。固體變形引起流體流場擾動，之后流體流場反作用與固體變形，研究其相互作用。
這兩種情況在實(shí)際應(yīng)用中都會經(jīng)常遇到。
OK，下面談一下如何在ANSYS中解決這幾類耦合問題。
展開 【流固耦合數(shù)值仿真算例】風(fēng)機(jī)葉片流固耦合數(shù)值仿真
為了更好地了解風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，提高風(fēng)機(jī)的總體設(shè)計水平與使用效能，可通過自建高性能并行集群仿真平臺， 利用OpenFOAM開源軟件進(jìn)行計算， 考慮流固耦合方式對風(fēng)機(jī)葉片上的氣動載荷進(jìn)行分析。 下圖為數(shù)值模擬結(jié)果。
風(fēng)機(jī)在計算域中的示意圖
風(fēng)機(jī)在計算域中的示意圖
風(fēng)機(jī)在簡化氣動力下轉(zhuǎn)動效果
流固耦合條件下模擬，可以考慮風(fēng)機(jī)塔架、機(jī)艙的振動響應(yīng)。
在此種模擬方法下，可以輸出風(fēng)場縱剖面速度云圖，考慮風(fēng)機(jī)的尾流效應(yīng)。
單風(fēng)機(jī)尾渦效果展示
雙風(fēng)機(jī)尾渦效果展示
葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的部件，其良好的設(shè)計，可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素?？紤]流固耦合方式對風(fēng)機(jī)葉片上的氣動載荷進(jìn)行分析，可以為風(fēng)機(jī)的總體設(shè)計提供一個較為全面的建議及分析方法。
展開 ansys流固耦合分析與工程實(shí)例 附ANSYS流固耦合分析與工程實(shí)例下載
ANSYS流固耦合簡介
ANSYS 很早便開始進(jìn)行流固耦合的研究和應(yīng)用， 目前 ANSYS 中的流固耦合分析算法和功能已相當(dāng)成熟，可以通過或者不通過第三方軟件(如 MPCCI)實(shí)現(xiàn) ANSYS Mechanical APDL + CFX、ANSYS Mechanical APDL + FLUENT、ANSYS Mechanical + CFX 的流固耦合分析。
從算法上講，ANSYS(也包括其他大型商業(yè)軟件)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(shù)據(jù)傳遞角度出發(fā)，流固耦合分析還可以分為兩種：單向流固耦合分析(oneway coupling 或 unidirectional coupling)和雙向流固耦合分析(twoway coupling 或bidirectional coupling)。
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