流固的案例
STAR-CCM+流固模態(tài)-雙向流固耦合案例
一.流固耦合面臨的挑戰(zhàn)
結(jié)構(gòu)設(shè)計的高度專業(yè)化。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，不確定性越高，設(shè)計就會越保守。要開發(fā)安全產(chǎn)品又不過于保守就要消除這種不確定性，因此有必要準確地知道結(jié)構(gòu)在工作中負載對它起到的作用，流固耦合是精確預(yù)測流動載荷的關(guān)鍵技術(shù)。比如著名的塔科馬海峽大橋，設(shè)計師兼顧了觀賞性和建造成本，但微風(fēng)就能引氣橋面劇烈晃動，最終僅建成四個月就被摧毀，這是典型的流固耦合問題。
結(jié)構(gòu)的輕量化趨勢。輕量型結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比具有更小的重量，剛度也是如此，這反過來又增加了結(jié)構(gòu)和流體之間的物理耦合程度。
創(chuàng)新需求。對于輪機、管路、翼型等，預(yù)測系統(tǒng)或部件在流體流動下的性能是此類產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵。比如風(fēng)機葉片，長達數(shù)十米，工作狀態(tài)時必然存在葉片變形，有必要分析風(fēng)載荷對結(jié)構(gòu)強度的影響，葉片變形對發(fā)電效率的影響，這樣才能更好的指導(dǎo)葉片設(shè)計的改進。
二.流固耦合技術(shù)需求
按照結(jié)構(gòu)與流體間相互影響的程度，可以把流固耦合分為單向耦合和雙向耦。
單向耦合是一種弱耦合，通常結(jié)構(gòu)小變形、振動時，只需考慮流動載荷對結(jié)構(gòu)變形的單向影響；雙向耦合是強耦合，當(dāng)流動引起結(jié)構(gòu)的加大變形，同樣結(jié)構(gòu)的變化對流動的影響也不能忽視。
關(guān)鍵技術(shù)需求
1）求解器離散方式的選擇，這會影響到流固耦合模擬的精度；
2）流體求解器和固體求解器間的數(shù)據(jù)交互；
3）流固耦合交界面上非共性網(wǎng)格的數(shù)據(jù)傳遞問題；
4）流體域中要反映結(jié)構(gòu)的變形，需要流體網(wǎng)格變形模型。
三.STAR-CCM+中的流固耦合
1、流固耦合實現(xiàn)方式
STAR-CCM+中流固耦合實現(xiàn)方式大概為三種，基于文件的耦合、協(xié)同仿真和軟件內(nèi)的耦合。
展開 ansys流固耦合分析與工程實例 附ANSYS流固耦合分析與工程實例下載
ANSYS流固耦合簡介
ANSYS 很早便開始進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)。
展開 淺談流固耦合：幾個基礎(chǔ)問題及解決相關(guān)問題的軟件基于MpCCI的Abaqus和Fluent流固耦合案例
作為流流合版塊的版主，我感到慚愧。因為我?guī)缀蹙蜎]真正應(yīng)用流固耦合做過工程。第一次應(yīng)用流固耦合還要追溯到做碩士畢業(yè)論文的時候，當(dāng)時做的是高壓水射流切割，屬于一個大課題中的小項，主要用的軟件是fluent。
但是利用fluent是沒辦法計算射流的切割效果的，流體軟件只能計算流場參數(shù)（壓力、速度、溫度等），對于應(yīng)力計算實在是力不從心。我不知道導(dǎo)師是從哪里聽來的風(fēng)聲，說讓使用mpcci將fluent與abaqus耦合計算固體變形乃至斷裂。當(dāng)時也是初生牛犢不怕虎，老師說用那就用唄，于是開始關(guān)注固體計算，關(guān)注abaqus，關(guān)注mpcci。然而現(xiàn)實是殘酷的，流體與固體采用不同的計算網(wǎng)格（流體用歐拉網(wǎng)格，固體采用拉格朗日網(wǎng)格），對于斷裂的問題，單純采用abaqus勉強可算，然而耦合上流體之后，通常計算會以出現(xiàn)負體積而告終。
多次的失敗終于磨滅了導(dǎo)師的耐心，于是項目轉(zhuǎn)而采用LS-DYNA的ALE進行解決，而我的畢業(yè)論文，則徹底的舍棄了這一部分。搞射流的自然離不開噴嘴的設(shè)計，在研究射流噴嘴結(jié)構(gòu)在高壓流體作用下的材料行為，于是又涉及到了流固耦合問題，這次很幸運，雖然壓力很高，然而壓差并不大，噴嘴的變形處于彈性小變形階段，我采用workbench中的CFX+ANSYS mechanic圓滿的完成了任務(wù)，計算的是雙向流固耦合，雖然到現(xiàn)在也不敢去評判計算結(jié)果的準確性，但好歹也是計算完畢，順利的通過了畢業(yè)答辯。
說起流固耦合，其實包含的范圍很寬。我們做流體，其實就包含了流場、溫度場、組分場等的計算。
流固耦合包含的以下幾類問題：
(1) 單向流固耦合。通常是忽略固體變形對流場的影響。
(2) 雙向流固耦合。考慮流場對固體變形的影響，同時也要考慮固體形變對流場的影響。計算量很大，而且很難收斂。
(3) 熱應(yīng)力計算。
展開 學(xué)完技術(shù)鄰ABAQUS流固耦合課程，能解決哪些實際流固耦合問題？
很多人學(xué)習(xí)ABAQUS流固耦合前都會困惑：“學(xué)完到底能解決工作 / 科研中的哪些具體問題？” 技術(shù)鄰 ABAQUS 流固耦合定制培訓(xùn)，依托全行業(yè)真實項目經(jīng)驗，聚焦航空航天、汽車、科研等領(lǐng)域的核心流固耦合難題，讓你學(xué)完就能針對性解決實際問題，避免 “學(xué)了用不上”。
一、航空航天領(lǐng)域：解決高精尖耦合難題，匹配工程可靠性要求
航空航天領(lǐng)域的流固耦合問題，多涉及高溫、高壓、隨機載荷等復(fù)雜工況，技術(shù)鄰課程能幫你解決以下關(guān)鍵問題：
1. 航天器尾噴管碰撞耦合問題
1) 實際痛點：尾噴管在工作中受高溫氣流沖擊，同時承受隨機振動載荷，易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力超標(biāo)、隔熱層脫落等風(fēng)險；
2) 課程解決方案：教你用 “多物理場（CEL/SPH/ALE）技術(shù)”，設(shè)置高溫材料屬性（隨溫度變化的彈性模量、熱導(dǎo)率），模擬隨機載荷下尾噴管與隔熱層的碰撞過程，精準計算碰撞應(yīng)力與振動響應(yīng)，確保結(jié)構(gòu)安全；
3) 應(yīng)用成果：學(xué)員曾用該方法解決某航天器尾噴管 “碰撞后局部應(yīng)力超 350MPa” 問題，優(yōu)化后應(yīng)力降至 280MPa 以下，符合工程標(biāo)準。
1. 反無人機抓捕網(wǎng)動力學(xué)耦合問題
1) 實際痛點：抓捕網(wǎng)發(fā)射后，受氣流影響易出現(xiàn)展開形態(tài)不規(guī)則、無法精準包裹無人機的情況；
2) 課程解決方案：指導(dǎo)選擇 “Membrane 膜單元” 構(gòu)建高柔性抓捕網(wǎng)模型，設(shè)置不同氣流速度參數(shù)（如 10m/s、15m/s、20m/s），模擬網(wǎng)體與空氣的相互作用，分析展開時間與形態(tài)，優(yōu)化網(wǎng)眼大小、材質(zhì)剛度等參數(shù)；
3) 應(yīng)用成果：某安防領(lǐng)域?qū)W員通過學(xué)習(xí)，將抓捕網(wǎng) “有效包裹率” 從 65% 提升至 92%，解決實際部署中的抓捕失效問題。
二、汽車領(lǐng)域：聚焦降噪、熱管理核心痛點，貼合主機廠需求
汽車行業(yè)的流固耦合問題，直接關(guān)系駕駛體驗與安全，技術(shù)鄰課程能針對性解決兩大核心場景問題：
1.
展開 
ANSYS Workbench 單項流固耦合解析
流固耦合問題是流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）與固體力學(xué) （Computational Solid Mechanics，CSM）交叉而生成的一門力學(xué)分支，同時也是多學(xué)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(xué)。
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(jié)構(gòu)特性，流固耦合可以有效節(jié)約分析時間和成本，同時保證結(jié)果更接近于物理現(xiàn)象本身的規(guī)律。 所以， 近年來流固耦合分析在工程設(shè)計特別是虛擬設(shè)計和仿真中的應(yīng)用越來越廣泛和深入。
立柱在風(fēng)載下大變形
ANSYS 很早便開始進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（one way coupling 或 uni directional coupling）和雙向流固耦合分析（two way coupling 或bi directional coupling）。
展開 【流固耦合】翼傘后緣偏轉(zhuǎn)過程的流固耦合動力學(xué)特性
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、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逐漸產(chǎn)生，仿真前無需單獨建立流場網(wǎng)格。這可以極大減小網(wǎng)格處理時間并提高計算效率。經(jīng)過仿真測算，與傳統(tǒng) ALE 方法相比，S-ALE 方法的計算效率可以提高 60%。
仿真結(jié)果與驗證
圖 3 和圖 4 為翼傘后緣單側(cè)和雙側(cè)下偏操縱過程的傘衣表面結(jié)構(gòu) Von Mises 應(yīng)力分布云圖。
展開 淺談流固耦合<1>：一些常識
流固耦合力學(xué)是研究流體與固體相互作用下相關(guān)力學(xué)行為的一門學(xué)科。在現(xiàn)實世界中，很多領(lǐng)域都涉及到流固耦合問題，如能源、水利、化工、船舶、交通運輸?shù)?。在單純的計算流體力學(xué)中，固體常常當(dāng)做剛性壁面處理，涉及到固體內(nèi)部物理現(xiàn)象計算的也僅僅是熱傳導(dǎo)。對于固體力學(xué)領(lǐng)域中所考慮的固體內(nèi)應(yīng)力的計算，計算流體力學(xué)則顯得束手無策。而對于流動問題計算，固體力學(xué)中普遍采用的有限元方法則又存在種種困難。流固耦合方法則是聯(lián)合了固體力學(xué)計算與流體力學(xué)計算，以求解流體導(dǎo)致的固體變形，或由于固體變形影響流場的問題。
在進行流固耦合計算之前，需要對其中涉及的一些常識有所了解。以下是一些流固耦合問題的基本常識。
1、流固耦合計算適合的場合
流固耦合計算由于要聯(lián)合流體仿真與固體仿真，因此計算開銷很大。對于一些可以簡化為單場計算的問題，則應(yīng)當(dāng)進行簡化。流固耦合主要應(yīng)用于一下場合：
（1）流場與固體應(yīng)力場耦合緊密。換句話說，流體流動導(dǎo)致的固體變形不可忽略，或者固體變形是所感興趣的內(nèi)容，此時則需要采用流固耦合計算。
（2）固體變形會影響到流場的分布。實際上和第一點是一回事。比如說飄揚中的旗幟，其變形會影響到周圍的流動分布。
共軛傳熱問題雖然涉及到固體，但是并不需要采用流固耦合計算，因流體求解器可以計算熱傳導(dǎo)方程。
2、流固耦合分類
通常有兩種分類方式。按求解方程分類可以將流固耦合分為強耦合和弱耦合，按求解順序可以將流固耦合問題分為單向耦合和雙向耦合。
強耦合：流體計算與固體計算聯(lián)立求解。由于固體方程與流體方程存在很大的差異，聯(lián)立求解困難重重。目前還沒有一款商業(yè)軟件可以求解強流固耦合問題。
弱耦合：流體方程和固體方程分別單獨求解，然后在迭代步中進行數(shù)據(jù)交換。目前的流固耦合基本上都是采用弱耦合。由于存在時間差，所以與現(xiàn)實情況存在一定的誤差。單向耦合與雙向耦合主要是針對弱耦合求解。
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，不敢獨享，特奉獻于此。
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 葉輪機械專題 | 高精度葉片雙向流固耦合的分析方法
如此大振幅的葉片振動將對葉頂間隙等處流場產(chǎn)生較大影響，進而影響風(fēng)扇/壓氣機的效率、性能和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)葉片流固耦合方法在處理風(fēng)扇/壓氣機氣動彈性問題時通常面臨以下挑戰(zhàn)：
單向流固耦合仿真：在跨音葉柵流場中，葉片大幅振動會對邊界層分離、激波以及葉頂泄露流產(chǎn)生強烈相互作用而形成強耦合多物理場，難以進行單向耦合解耦；
基于頻域分析的多物理場仿真：無法準確模擬整個時間歷程下的結(jié)構(gòu)振動情況和流場流動形態(tài)，難以對葉片流動與振動的相互作用進行詳細研究；
CFD軟件與結(jié)構(gòu)軟件之間數(shù)據(jù)交互復(fù)雜、操作繁瑣：不利于工作繁重的工程技術(shù)人員快速學(xué)習(xí)和使用，難以用于工程實際。
針對上述難點，Ansys基于葉輪機專用氣動仿真軟件CFX和結(jié)構(gòu)仿真軟件Mechanical，在Workbench平臺下采用CFX + Mechanical雙向流固耦合方法對整個時域歷程下的葉片流動和振動耦合狀況進行高效、高精度仿真分析。該解決方案操作流程簡明、計算精度高，是目前商業(yè)軟件中較為成熟的雙向流固耦合解決方案，適合于對跨音、大展弦比風(fēng)扇/壓氣機葉片進行雙向流固耦合仿真分析。雙向流固耦合技術(shù)按照解耦程度可以大致劃分為3種：
雙向顯式流固耦合：在每個時間步長內(nèi)，流體和結(jié)構(gòu)求解不進行迭代，直接進行數(shù)據(jù)交互傳輸，計算速度快；只適用于弱耦合問題，強耦合物理問題精度較低；
強耦合流固耦合：流體和固體求解方程組在同一矩陣中同時求解，求解過程非常復(fù)雜、不易收斂，多用于學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域；
雙向隱式流固耦合：流體方程和結(jié)構(gòu)方程單獨分開在不同的求解器求解，在每個時間步長內(nèi)流體和結(jié)構(gòu)分別迭代求解，直至交界面上的數(shù)據(jù)完全收斂。
展開 葉輪機械專題 | 高精度葉片雙向流固耦合的分析方法
如此大振幅的葉片振動將對葉頂間隙等處流場產(chǎn)生較大影響，進而影響風(fēng)扇/壓氣機的效率、性能和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)葉片流固耦合方法在處理風(fēng)扇/壓氣機氣動彈性問題時通常面臨以下挑戰(zhàn)：
單向流固耦合仿真：在跨音葉柵流場中，葉片大幅振動會對邊界層分離、激波以及葉頂泄露流產(chǎn)生強烈相互作用而形成強耦合多物理場，難以進行單向耦合解耦；
基于頻域分析的多物理場仿真：無法準確模擬整個時間歷程下的結(jié)構(gòu)振動情況和流場流動形態(tài)，難以對葉片流動與振動的相互作用進行詳細研究；
CFD軟件與結(jié)構(gòu)軟件之間數(shù)據(jù)交互復(fù)雜、操作繁瑣：不利于工作繁重的工程技術(shù)人員快速學(xué)習(xí)和使用，難以用于工程實際。
針對上述難點，Ansys基于葉輪機專用氣動仿真軟件CFX和結(jié)構(gòu)仿真軟件Mechanical，在Workbench平臺下采用CFX + Mechanical雙向流固耦合方法對整個時域歷程下的葉片流動和振動耦合狀況進行高效、高精度仿真分析。該解決方案操作流程簡明、計算精度高，是目前商業(yè)軟件中較為成熟的雙向流固耦合解決方案，適合于對跨音、大展弦比風(fēng)扇/壓氣機葉片進行雙向流固耦合仿真分析。雙向流固耦合技術(shù)按照解耦程度可以大致劃分為3種：
雙向顯式流固耦合：在每個時間步長內(nèi)，流體和結(jié)構(gòu)求解不進行迭代，直接進行數(shù)據(jù)交互傳輸，計算速度快；只適用于弱耦合問題，強耦合物理問題精度較低；
強耦合流固耦合：流體和固體求解方程組在同一矩陣中同時求解，求解過程非常復(fù)雜、不易收斂，多用于學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域；
雙向隱式流固耦合：流體方程和結(jié)構(gòu)方程單獨分開在不同的求解器求解，在每個時間步長內(nèi)流體和結(jié)構(gòu)分別迭代求解，直至交界面上的數(shù)據(jù)完全收斂。
展開 限時 | 《流固耦合教程》-隨波逐流
章節(jié) 1：流-固耦合介紹
章節(jié) 2：流-固耦合的設(shè)置流程
章節(jié) 3：單向流-固耦合
章節(jié) 4：網(wǎng)格尺度對單向流-固耦合的影響
章節(jié) 5：單向熱-流-固耦合
章節(jié) 6：動網(wǎng)格方法的雙向流-固耦合
章節(jié) 7：重疊網(wǎng)格方法的雙向流-固耦合
章節(jié) 8：1薄板類模型的雙向流-固耦合-方法1
章節(jié) 9：2薄板類模型的雙向流-固耦合-方法2
章節(jié)10：3薄板類模型的雙向流-固耦合-方法3
章節(jié)11：涉及fluent初始狀態(tài)的雙向流-固耦合
章節(jié)12：涉及接觸過程的雙向流-固耦合
章節(jié)13：1雙向熱-流-固耦合方法1
章節(jié)14：2雙向熱-流-固耦合方法2
章節(jié)15：3雙向熱-流-固耦合方法3
章節(jié)16：涉及壓電的雙向流-固耦合（ACT）
章節(jié)17：關(guān)于雙向流固耦合不收斂的建議
限時優(yōu)惠
原 價：200元
限時優(yōu)惠價：140元
活 動 時 間：即日起至7月15日
領(lǐng) 取 方 式：
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葉輪機械專題 | 高精度葉片雙向流固耦合的分析方法
如此大振幅的葉片振動將對葉頂間隙等處流場產(chǎn)生較大影響，進而影響風(fēng)扇/壓氣機的效率、性能和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)葉片流固耦合方法在處理風(fēng)扇/壓氣機氣動彈性問題時通常面臨以下挑戰(zhàn)：
單向流固耦合仿真：在跨音葉柵流場中，葉片大幅振動會對邊界層分離、激波以及葉頂泄露流產(chǎn)生強烈相互作用而形成強耦合多物理場，難以進行單向耦合解耦；
基于頻域分析的多物理場仿真：無法準確模擬整個時間歷程下的結(jié)構(gòu)振動情況和流場流動形態(tài)，難以對葉片流動與振動的相互作用進行詳細研究；
CFD軟件與結(jié)構(gòu)軟件之間數(shù)據(jù)交互復(fù)雜、操作繁瑣：不利于工作繁重的工程技術(shù)人員快速學(xué)習(xí)和使用，難以用于工程實際。
針對上述難點，Ansys基于葉輪機專用氣動仿真軟件CFX和結(jié)構(gòu)仿真軟件Mechanical，在Workbench平臺下采用CFX + Mechanical雙向流固耦合方法對整個時域歷程下的葉片流動和振動耦合狀況進行高效、高精度仿真分析。該解決方案操作流程簡明、計算精度高，是目前商業(yè)軟件中較為成熟的雙向流固耦合解決方案，適合于對跨音、大展弦比風(fēng)扇/壓氣機葉片進行雙向流固耦合仿真分析。雙向流固耦合技術(shù)按照解耦程度可以大致劃分為3種：
雙向顯式流固耦合：在每個時間步長內(nèi)，流體和結(jié)構(gòu)求解不進行迭代，直接進行數(shù)據(jù)交互傳輸，計算速度快；只適用于弱耦合問題，強耦合物理問題精度較低；
強耦合流固耦合：流體和固體求解方程組在同一矩陣中同時求解，求解過程非常復(fù)雜、不易收斂，多用于學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域；
雙向隱式流固耦合：流體方程和結(jié)構(gòu)方程單獨分開在不同的求解器求解，在每個時間步長內(nèi)流體和結(jié)構(gòu)分別迭代求解，直至交界面上的數(shù)據(jù)完全收斂。
展開 為什么要進行流固耦合仿真
流固耦合 (fluid structure interaction) 研究從20世紀80 年代以來，受到了世界學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。流固耦合問題是流體力學(xué)與固體力學(xué)交叉而生成的一門力學(xué)分支，同時也是多學(xué)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(xué)。
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(jié)構(gòu)特性，流固耦合可以有效節(jié)約分析時間和成本，同時保證結(jié)果更接近于物理現(xiàn)象本身的規(guī)律。所以，近年來流固耦合分析在工程設(shè)計，特別是虛擬設(shè)計和仿真中的應(yīng)用，越來越廣泛和深入。
虛擬設(shè)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(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(shù)據(jù)傳遞是單向的，一般是指把CFD分析計算的結(jié)果（如力、溫度和對流載荷）傳遞給固體結(jié)構(gòu)分析，但是沒有固體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果傳遞給流體分析的過程。也就是說，只有流體分析對結(jié)構(gòu)分析有重大影響，而結(jié)構(gòu)分析的變形等結(jié)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(xiàn)象和分析非常普遍，比如熱交換器的熱應(yīng)力分析、閥門在不同開度下的應(yīng)力分析、塔吊在強風(fēng)中的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析、旋轉(zhuǎn)機械的結(jié)構(gòu)強度分析等都屬于單向耦合分析。
展開 無人機葉片顫振的詳細介紹及流固耦合仿真分析講解（含105講視頻教程）
將葉片流場的瞬態(tài)仿真與葉片結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)仿真進行耦合，通過迭代計算得到葉片的顫振響應(yīng)。
模態(tài)分析：模態(tài)分析是獲取葉片固有頻率和振型的重要手段。通過模態(tài)分析，可以了解葉片在不同頻率下的振動特性，為顫振分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在顫振分析中，模態(tài)分析通常用于驗證流體與結(jié)構(gòu)耦合的合理性，并作為諧響應(yīng)分析的基礎(chǔ)。
諧響應(yīng)分析：諧響應(yīng)分析是研究葉片在正弦激勵下的振動響應(yīng)。通過諧響應(yīng)分析，可以預(yù)測葉片在特定頻率下的振動幅值，從而評估葉片的顫振風(fēng)險。在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)置位移或載荷幅值及掃頻范圍，計算得到葉片結(jié)構(gòu)的幅頻圖，從而分析葉片的顫振特性。
雙向流固耦合分析：雙向流固耦合分析是一種將流體與固體模塊相互迭代傳遞數(shù)據(jù)的耦合方法。在葉片顫振分析中，通過雙向流固耦合分析可以更準確地模擬葉片在氣動力作用下的振動行為。首先進行流體分析，將氣動力結(jié)果傳遞到結(jié)構(gòu)分析中；然后進行結(jié)構(gòu)分析，將位移結(jié)果反饋到流體分析中。通過不斷迭代計算，直至整個分析收斂到一個較為穩(wěn)定的振動區(qū)間內(nèi)。
葉片顫振是一種復(fù)雜的流體誘發(fā)振動現(xiàn)象，對葉片的疲勞壽命和機械性能有著重要影響。這里詳細介紹采用雙向流固耦合對無人機葉片顫振進行分析。
無人機葉片顫振流固耦合計算
流固耦合力學(xué)是用來研究可變形固體在流場作用下的瞬態(tài)響應(yīng)，以及固體變形后對流場的反作用關(guān)系，它涉及計算流體力學(xué)與結(jié)構(gòu)動力學(xué)等交叉學(xué)科的內(nèi)容，其重要特征是兩相介質(zhì)之間的相互作用。
流體流動要遵循三大定律，質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律。
動力學(xué)的通用運動方程為：
此方程描述的是典型的非線性自激振動系統(tǒng)。對有限元模型進行結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析時，需要考慮結(jié)構(gòu)模型的慣性、剛度和阻尼特性。結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析包含眾多研究內(nèi)容，不同的分析類型對應(yīng)求解不同形式的方程。
在流固耦合問題中，需要將流體域中的基本方程以及結(jié)構(gòu)域的動力學(xué)方程進行聯(lián)立求解。
展開 往復(fù)式壓縮機吸排氣閥組流固耦合仿真研究
在此過程中，閥片的運動是閥片回復(fù)力和制冷劑氣體力相互作用和影響產(chǎn)生的結(jié)果，也即流體與結(jié)構(gòu)的相互作用，是典型的流固耦合現(xiàn)象。
圖1 往復(fù)式冰箱壓縮機
經(jīng)典的吸排氣系統(tǒng)分析方法通常是應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)和流體動力學(xué)理論來建立出簡化的壓縮機吸排氣閥片的運動方程和流場計算模型，進而通過編程實現(xiàn)對吸排氣系統(tǒng)的簡化計算[1]。該方法實現(xiàn)簡單，但對吸排氣過程簡化較大，且不能獲得流場中的相關(guān)參數(shù)分布情況，對于具體的閥組參數(shù)設(shè)計指導(dǎo)意義較小。隨著計算機及軟件技術(shù)的快速發(fā)展，對于類似的問題已經(jīng)可以通過應(yīng)用專業(yè)的有限元軟件建立三維流固耦合仿真模型來進行仿真研究。Kim J[2]使用商業(yè)軟件對壓縮機的閥片動力學(xué)進行了2D流固耦合分析，得到二維的溫度和速度矢量分布及閥片的升程曲線，并與實驗值進行對比。Kim H[3]通過外部軟件導(dǎo)入Nastran格式的4節(jié)點和6節(jié)點網(wǎng)格，對壓縮機排氣過程進行了3D流固耦合仿真，并對排氣閥片進行了仿真優(yōu)化。Silva J[4]利用CFX+ANSYS Mechanical模塊，實現(xiàn)某壓縮機的吸氣閥片流固耦合仿真，并對其在不同開度下的閥片應(yīng)力情況進行了分析。武守飛、韓寶坤[5-8]等人使用STAR-CD及Fluent實現(xiàn)了壓縮機閥組的流固耦合仿真，并對閥片運動狀態(tài)進行了分析。譚琴、宋明毅[9-12]等人則對轉(zhuǎn)子式和微型壓縮機的簧 片閥組進行了流固耦合仿真分析，得到了不同工況下閥片的運動規(guī)律。
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