流固耦合仿真的案例
往復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力和制冷劑氣體力相互作用和影響產生的結果，也即流體與結構的相互作用，是典型的流固耦合現象。
圖1 往復式冰箱壓縮機
經典的吸排氣系統分析方法通常是應用結構力學和流體動力學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，進而通過編程實現對吸排氣系統的簡化計算[1]。該方法實現簡單，但對吸排氣過程簡化較大，且不能獲得流場中的相關參數分布情況，對于具體的閥組參數設計指導意義較小。隨著計算機及軟件技術的快速發展，對于類似的問題已經可以通過應用專業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]使用商業軟件對壓縮機的閥片動力學進行了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]通過外部軟件導入Nastran格式的4節點和6節點網格，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化。Silva J[4]利用CFX+ANSYS Mechanical模塊，實現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實現了壓縮機閥組的流固耦合仿真，并對閥片運動狀態進行了分析。譚琴、宋明毅[9-12]等人則對轉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律。
展開 FLUENT動網格案例之十七：基于Fluent19的單向流固耦合仿真計算 ￥9
基于Fluent19的單向流固耦合仿真計算
在FLUENT動網格案例之十六：基于Fluent重生成算法的懸臂梁振動的雙向流固耦合仿真分析中，使用udf求解流固耦合系統中固體區域運動控制方程，并將計算得到的邊界運動位移以動網格形式更新流場的邊界條件，從而實現雙向流固耦合仿真。其實，在最新的Fluent19中，線彈性求解模塊已經是內嵌模塊，建立并求解流固耦合問題可以更加方便，只要定義固體材料區域及其邊界條件，按照正常的CFD仿真流程就能同時獲得結構最終位移和流場壓力及速度分布。
固體區域設置
流固耦合界面設置
仿真計算結果
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展開 【重磅】TCFD軟件全面升級為TCAE，支持流固耦合仿真計算
可以看到通過TCAE進行流固耦合仿真分析，具有較高的分析精度，同時計算設置簡單便捷，軟件能夠自動進行流體及結構仿真數據關聯，降低流固耦合仿真應用門檻，提高仿真工作效率。
軟件試用可郵件咨詢：info@njtf.cn
XFlow與Abaqus的雙向流固耦合仿真須知XFlow與Abaqus的雙向流固耦合仿真須知
1）Abaqus 和XFlow 的協同仿真屬于FSI 仿真類型，即流固耦合仿真；
2）XFlow 必須在Labs 模式下運行，激活Labs 模式的路徑是：Main menu > Options > Preferences > Application mode> Labs；
3）建議使用Abaqus 2018 及以上版本；
4）Abaqus的協同仿真服務功能必須提前安裝好；
5）如果Abaqus的協同仿真服務沒有安裝，那么請按以下方式進行安裝：假設版本是Abaqus 2018， ?》》 首先使用X64命令行運行：abq2018 extractCseApi ?》》 然后把CSS服務二進制文件夾寫入系統path變量： X:\xxxxxx\Dassault Systemes\SimulationServices\V6R2018x\win_b64\code\bin， 其中X:\xxxxxx是相應的安裝盤符和文件夾。
6）如果版本是2019不用安裝5)中的步驟，但也需要建立上述環境變量。
7）協同仿真時，數據是雙向交互式進行傳遞的，Abaqus傳輸位移和速度信息給XFlow，XFlow傳輸載荷信息給Abaqus，仿真時的所有模型參數建議使用SI單位制。
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FLUENT動網格案例之十八：基于Fluent19的雙流固耦合仿真計算 ￥9
基于Fluent19的雙流固耦合仿真計算
在FLUENT動網格案例之十七：基于Fluent19的單向流固耦合仿真計算中，介紹了基于FLUENT19線彈性求解模塊的單向流固耦合仿真內容。其實，雙向流固耦合的仿真也能在FLUENT19完全實現。本算例為管道內垂直襟翼在湍流激勵下的變形計算，并且啟用FLUENT的結構模型來模擬由于流體流動而導致的襟翼變形。由于襟翼的變形量足夠大，必須采用雙向流固耦合(FSI)仿真方法。也就是說，流體的流動影響結構的變形，反過來，結構的變形也嚴重影響流體的流動狀態。本算例中Fluent將執行所有的結構計算(而不是使用單獨的結構程序)，并耦合流場仿真計算，因而是雙向流固耦合仿真。界面區域局部網格
固體區域設置和流固耦合界面設置與單向耦合是完全一致的
增加的為動網格設置(也就是結構變形對流場的反饋作用以動網格算法實現的動邊界體現）
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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生較大影響，進而影響風扇/壓氣機的效率、性能和穩定性。傳統葉片流固耦合方法在處理風扇/壓氣機氣動彈性問題時通常面臨以下挑戰：
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構振動情況和流場流動形態，難以對葉片流動與振動的相互作用進行詳細研究；
CFD軟件與結構軟件之間數據交互復雜、操作繁瑣：不利于工作繁重的工程技術人員快速學習和使用，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和結構仿真軟件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，流體和結構求解不進行迭代，直接進行數據交互傳輸，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，求解過程非常復雜、不易收斂，多用于學術研究領域；
雙向隱式流固耦合：流體方程和結構方程單獨分開在不同的求解器求解，在每個時間步長內流體和結構分別迭代求解，直至交界面上的數據完全收斂。
展開 FLUENT動網格案例之十五：基于FLUENT網格重生成算法的薄膜流固耦合仿真 ￥499
基于FLUENT網格重生成算法的薄膜流固耦合仿真
薄膜變形一直都是ANSYS流固耦合分析的驗證算例，不論是雙向耦合還是單向耦合；是基于workbench還是system coupling模塊。其實，基于FLUENT自帶的網格重生成技術外加UDF函數控制，也能實現薄膜流固耦合仿真的全過程。
UDF函數片段
動網格變形
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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生較大影響，進而影響風扇/壓氣機的效率、性能和穩定性。傳統葉片流固耦合方法在處理風扇/壓氣機氣動彈性問題時通常面臨以下挑戰：
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構振動情況和流場流動形態，難以對葉片流動與振動的相互作用進行詳細研究；
CFD軟件與結構軟件之間數據交互復雜、操作繁瑣：不利于工作繁重的工程技術人員快速學習和使用，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和結構仿真軟件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，流體和結構求解不進行迭代，直接進行數據交互傳輸，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，求解過程非常復雜、不易收斂，多用于學術研究領域；
雙向隱式流固耦合：流體方程和結構方程單獨分開在不同的求解器求解，在每個時間步長內流體和結構分別迭代求解，直至交界面上的數據完全收斂。
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生較大影響，進而影響風扇/壓氣機的效率、性能和穩定性。傳統葉片流固耦合方法在處理風扇/壓氣機氣動彈性問題時通常面臨以下挑戰：
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構振動情況和流場流動形態，難以對葉片流動與振動的相互作用進行詳細研究；
CFD軟件與結構軟件之間數據交互復雜、操作繁瑣：不利于工作繁重的工程技術人員快速學習和使用，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和結構仿真軟件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，流體和結構求解不進行迭代，直接進行數據交互傳輸，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，求解過程非常復雜、不易收斂，多用于學術研究領域；
雙向隱式流固耦合：流體方程和結構方程單獨分開在不同的求解器求解，在每個時間步長內流體和結構分別迭代求解，直至交界面上的數據完全收斂。
展開 FLUENT動網格案例之十六：基于Fluent重生成算法的懸臂梁振動的雙向流固耦合仿真分析 ￥499
基于Fluent重生成算法的懸臂梁振動的雙向流固耦合仿真分析
流體介質中懸臂梁的振動是很多流固耦合問題的抽象模型，類似于ANSYS流固耦合驗證算例，FLUENT動網格案例之十五：基于FLUENT網格重生成算法的薄膜流固耦合仿真，本算例將懸臂梁振動方向垂直于流體流動方向，不同于前面算例，流動方向平行于振動方向。更特殊的是，本算例中懸臂梁的振動是由流體力驅動的，也就是所謂的雙向流固耦合分析。流體力驅動懸臂梁運動，而懸臂梁的振動又反過來影響流場參數導致流體力周期變化。
網格模型如圖所示
速度入口邊界條件為profile定義
仿真計算結果如下圖所示
UDF片段
動網格運動文件列表
展開 淺析離心壓縮機設計與流固耦合仿真
為了探明葉輪溫度場模型及應力場模型，對于葉輪產生的應力破壞，以離心壓縮機為研究對象，進行基于流固耦合的數值模擬研究，對于離心壓縮機的熱力學特性和可靠性研究具有重要意義。流固耦合是指在流場作用下變形固體的各種行為以及固體變形對流場的交互影響。從CAE實現方式來看，主要有雙向耦合和單向耦合兩種方式，考慮到實現難度和計算成本，本文主要介紹基于Simerics-MP+與ANSYS之間的單向耦合過程。即如何利用Simerics-MP+進行壓縮機的熱流場仿真，并結合有限元分析工具進行壓縮機的流固耦合仿真分析，通過離心壓縮機內部流場與葉輪流固耦合強度分析，從熱氣動分析角度研究葉片失效（斷裂等）因素對于葉輪結構設計的參考和優化指導。
壓縮機設計與流固耦合仿真技術路線
本技術方案引入專業的壓縮機參數化設計工具CFturbo，壓縮機熱流場仿真分析工具Simerics-MP+（原PumpLinx），以及有限元分析工具來進行壓縮機的設計仿真優化和結構校核模擬。其中CFturbo與Simerics-MP+之間具備設計仿真的無縫集成接口，即CFturbo設計的方案模型可在CFturbo中直接轉換為Simerics-MP+可用的模型，并自動啟動Simerics-MP+進行熱流體計算，而無需其他的前處理和求解設置工作。
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）
無人機課程推薦
課程名稱
《starccm無人機仿真全教程105講-四種仿真方法流固耦合懸停噴霧施肥吊物投彈槳葉優化大渦模擬噪聲》
主講老師
技術鄰平臺知名講師：梁老師
擅長：精通STAR-CCM+，擅長氣動、傳熱、燃燒、多相流、運動、固體應力等多學科耦合分析，以及在CFD結果上，通過網格變形直接對模型進行優化的伴隨形狀優化方法；在設計空間通過將固體網格和流體網格相互轉換而自動構造最優幾何的伴隨拓撲優化方法；還精通多目標優化，在給定的參數和約束下，通過遺傳算法，響應面方法等進行全局搜索和局部搜索，尋找最優目標。
課程特點
1.全面系統：該課程共105講，內容全面覆蓋了STAR-CCM+在無人機仿真領域的多種應用方法，包括流固耦合、懸停、噴霧、施肥、吊物、投彈、槳葉優化、大渦模擬和噪聲仿真等。
2.實戰導向：通過具體案例和仿真方法，幫助大家掌握STAR-CCM+在無人機設計中的實際應用，提高解決實際工程問題的能力
3.深入解析：不僅介紹仿真流程和方法，還深入解析仿真過程中的關鍵技術和難點，幫助大家深入理解仿真原理。
課程內容概覽
1.流固耦合仿真：介紹流固耦合的基本原理，以及如何在STAR-CCM+中進行流固耦合仿真，分析無人機在復雜流場中的動態響應。
?（圖：槳葉流固耦合仿真）
2.懸停仿真：針對無人機懸停狀態進行仿真分析，研究懸停狀態下的氣動特性、穩定性和控制策略。
（圖：自由度懸停）
3.噴霧施肥仿真：模擬無人機在農業應用中的噴霧施肥過程，分析噴霧效果、覆蓋范圍和優化方案。
（圖：噴霧）
（圖：施肥）
4.吊物投彈仿真：對無人機執行吊物、投彈等任務進行仿真，評估任務執行過程中的動力學特性和控制性能。
展開 【流固耦合】翼傘后緣偏轉過程的流固耦合動力學特性
翼傘后緣偏轉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同控制，是典型的氣動與結構緊耦合問題，涉及到的動力學問題復雜多變。對于翼傘系統操縱過程的動力學機理問題研究一直是降落傘領域的關鍵技術和熱點問題。
本文基于 Structured ALE（S-ALE）流固耦合方法對翼傘后緣偏轉過程進行動力學建模和仿真分析。研究翼傘三維模型后緣偏轉過程、傘衣結構場和周圍流場的時變演化規律及分布特性，為進一步指導大型翼傘精確空投系統的飛控系統設計和技術應用提供參考。
流固耦合建模
本文所研究的翼傘后緣偏轉過程是針對充滿鼓包狀態的翼傘三維模型進行的。翼傘系統包括傘衣、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構與流場的雙向耦合作用；傘繩在翼傘偏轉過程承受拉力，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。
圖 1 翼傘系統三維幾何模型
仿真方法驗證
為避免因流體和結構單元之間尺寸差異過大而導致顯式動力學積分過程可能出現的非物理特征“沙漏現象”，進而引起計算發散，流場網格尺寸與結構網格尺寸盡量接近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 ALE 方法的基本理論相同，均包括了映射過程的對流輸運、界面重構和歐拉流場與拉格朗日結構相互作用的流固耦合過程。不同的是，在網格的處理方法上，S-ALE 方法采用自動生成網格技術，即流場網格根據控制點設定的方向、增長率、網格尺寸、網格密度等參數在仿真過程中隨著時間步的推進逐漸產生，仿真前無需單獨建立流場網格。這可以極大減小網格處理時間并提高計算效率。
展開 固體推進劑裂紋內點火過程流固耦合數值仿真
利用cfx和ansys模擬了固體推進荊裂紋內點火階段的流固耦合過程。流場邊界添加源項模擬裝藥燃燒的質量添加cfx計算得出的壓強值和ansys計算得出的邊界位移在2個軟件之間傳遞,實現流固耦合仿真過程。仿真結果表明,裂紋內部燃氣壓強隨時間先增大后減小,之后逐漸穩定,藥柱最大應力隨時間變化呈波動狀態,最大變形量隨時間持續增大,藥柱裂紋的變形不能忽略,裂紋的變形作用降低了裂紋流場中的頂端壓強峰值。
固體推進劑裂紋內點火過程流固耦合數值仿真.pdf
流固耦合仿真在航天器設計中的應用
因此工程師決定利用ANSYS Workbench環境中所集成的ANSYS多物理場工具，以開展流固耦合(FSI)仿真，并分析這款推薦的薄膜的行為。
航天器設計研究
空客工程師需要開展設計研究，以計算彈性膜對正在研發中的航天器的影響。工程師被要求估算，當航天器進行幾種定義機動時質心的變化以及燃料對燃料箱壁面施加的作用力。這需要同時求解液體燃料對薄膜的作用以及薄膜對液體的影響。開展FSI仿真的最大障礙是：仿真流體的計算流體動力學(CFD)軟件和仿真彈性膜的有限元分析(FEA)軟件通常由不同供應商提供，它們不能協同工作。用戶必須找到一種集成上述工具的方法。這可能涉及編寫和驗證腳本，以及每次仿真時手動在CFD和FEA軟件套件之間傳遞數據。在仿真過程中進行手動干預非常耗時，造成仿真工作流程變得復雜，而且還可能降低整體仿真的精度。
FSI仿真過程中使用的典型平移情況
機械變形過程中彈性膜的中點位移
ANSYS軟件能夠提供FSI仿真所需的完整物理場，其包括在ANSYS Workbench環境中集成的CFD和FEA求解器，從而解決了上述難題。通過簡單的拖放操作，一個軟件套件的輸出能作為輸入信息耦合到下一個軟件套件中，因此無需進行手動數據傳遞。在本案例中，空客工程師將彈性膜建模為偏離燃料箱下方的固體，同時在燃料箱下方壁面上創建了一個流體出口。借助ANSYS Fluent和ANSYS Mechanical之間獨特的集成功能，工程師能夠使用燃料箱壁面的固體部分約束流體域模型和各表面，從而定義ANSYS Mechanical固體單元。此外，燃料箱壁面也包含在ANSYS Mechanical模型中，用于施加與彈性膜的接觸。為減少計算量，整個模型只有一個單元厚，因此它實際上是一個2-D仿真。
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