雙向流固耦合分析的案例
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。
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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。
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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 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）
首先進行流體分析，將氣動力結果傳遞到結構分析中；然后進行結構分析，將位移結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定的振動區間內。
葉片顫振是一種復雜的流體誘發振動現象，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
流固耦合力學是用來研究可變形固體在流場作用下的瞬態響應，以及固體變形后對流場的反作用關系，它涉及計算流體力學與結構動力學等交叉學科的內容，其重要特征是兩相介質之間的相互作用。
流體流動要遵循三大定律，質量守恒、動量守恒和能量守恒定律。
動力學的通用運動方程為：
此方程描述的是典型的非線性自激振動系統。對有限元模型進行結構動力學分析時，需要考慮結構模型的慣性、剛度和阻尼特性。結構動力學分析包含眾多研究內容，不同的分析類型對應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構域的動力學方程進行聯立求解。交界面處應滿足流體與固體的位移、熱流量、溫度、應力等相等。
無人機葉片雙向流固耦合分析采用多面體網格對流體域劃分網格，四面體網格對固體域劃分網格，流體域的求解采用有限體積法，固體域的求解采用有限元法。
以流場穩態計算結果作為初場，時間步的選取依賴葉片固有頻率，綜合考慮固體域和流體域對時間步長的特殊需求，這里選取時間步長為1e-4s。
為了解氣動載荷作用下壓縮機葉片的瞬態動力學特性，需要在葉片表面設置監測點。如下圖所示，圖中紫紅色標記點即為監測點位置，設置在位移變化最大的葉頂處。
通過雙向流固耦合分析，葉片應力和位移如下圖，在葉片靠近旋轉中心處，應力最大，葉片的位移在葉尖處最大。
由葉片位移監測點可知，葉尖處位移是逐漸收斂的，故可以以此來判定無人機葉片在這種工況下不會發生顫振。
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 液體靜壓導軌雙向流固耦合-關于時間步長的疑問
我最近在做液體靜壓導軌的雙向流固耦合分析，主要分析油膜壓力導致的止推板變形。
雙向迭代時發現，時間步長設置為0.05s時可以順利完成迭代，而時間步長設置為0.01s、0.001s、0.0001s等迭代均報錯。
一般選擇較小的時間步長有利于雙向耦合的收斂。但是這里較小的時間步長反而出錯!？實在令人費解~
所建立的模型如下圖所示，模型中的流體域為油膜，固體域為工作臺止推板。在工作狀態下，油膜的壓力作用于工作臺止推板上，將導致止推板的變形。
工作臺下浮板簡化為126mmx340mmx44mm的平板。
油膜流場主要由三部分組成：油膜、油腔、節流孔；油膜大小為126mmx340mm，厚度為0.025mm；H形油腔高度為2mm；中心節流孔高度1mm，直徑0.5mm。油膜的具體尺寸如下圖所示。
為了研究工作臺止推板在油膜力的作用下產生的變形，本人基于ansys workbench進行了單向流固耦合分析。采用gambit對油膜進行網格劃分，fluent對油膜流場進行求解，具體設置如下：
Viscous——Laminar
流體材料：Density:822(Kg/m3)；Viscosity: 0.00575(Kg/m-s)。
邊界條件：如下圖所示，pressure inlet：0.5MPa，pressure outlet：0MPa。
Solution methods：SIMPLE 默認設置
仿真得到的壓力分布如下圖所示
將流場壓力導入到結構上如下圖所示
結構件約束為固定約束，約束如下圖中所示的側面
得到的結構件變形如下圖所示
可以看到結構件最大變形達0.008mm，而油膜厚度為0.025mm，結構件的變形將顯著影響油膜的壓力分布，因此需進一步進行雙向流固耦合分析。
展開 基于Ansys Workbench的三葉螺旋槳雙向流固耦合分析
隨之而來的問題是，這種新型材料的剛度較低，高速轉動時產生的變形會影響螺旋槳的推進效果，因此有必要考慮輕質螺旋槳的流固耦合效應。基于以上，本文以Ansys Workbench為平臺，集成Fluent、Transient Structural和System Coupling對某直徑為8m的三葉螺旋槳進行了雙向流固耦合分析，對關鍵步驟給出了詳細說明。
FSI.pdf
雙向流固耦合模型三：帶離散相的雙向流固耦合模型
通過雙向流固耦合可分析在顆粒作用下的流暢分布及固體受力狀態，若感興趣可加qq：1196497187
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。
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用， 目前 ANSYS 中的流固耦合分析算法和功能已相當成熟，可以通過或者不通過第三方軟件(如 MPCCI)實現 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(oneway coupling 或 unidirectional coupling)和雙向流固耦合分析(twoway coupling 或bidirectional coupling)。
展開 雙向流固耦合模型一：罐車剎車、加速、轉彎運動模型，VOF
罐車運動模型作為較經典的vof模型，利用雙向流固耦合可分析罐車在運動狀態下的受力及罐車內部流體的流動狀態，若感興趣可加qq：1196497187
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。
展開 ANSYS Workbench 單項流固耦合解析
流固耦合問題是流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）與固體力學 （Computational Solid Mechanics，CSM）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。
立柱在風載下大變形
ANSYS 很早便開始進行流固耦合的研究和應用， 目前 ANSYS 中的流固耦合分析算法和
功能已相當成熟，可以通過或者不通過第三方軟件（如 MPCCI）實現 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（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 Fluent 內置雙向流固耦合FSI 液艙晃蕩仿真計算（一）
本案例利用Fluent 內置雙向流固耦合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部構件進行分析，后續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 設置
1.1 導入幾何
本案例根據相關文獻，建立了對應的液艙幾何模型。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）：柔性構件的厚度b為0.005m,高度hb為0.045m(50%h），柔性構件距液艙左壁x0為0.25 m，液艙的厚度為0.0075m。其中構件底部面命名為wall3，液艙正對部分兩個面為wall-fluid1和2。構件對應的兩個面為wall1和2。構件其余面為int，其余面為wall。
2 Fluent meshing 設置
2.1 網格劃分
根據幾何結構進行對應的網格劃分，交界面與柔性構件處要適當加密。
3 FLUENT 設置
使用fluent內置的雙向流固耦合時不能通過workbench打開fluent！！！
3.1 General設置與網格導入
由于本文考慮了液艙晃蕩，因此必須采用瞬態計算，同時為了更為便捷的進行雙向流固耦合的動網格計算，此處采用重力加速度模擬晃蕩加速度。
3.2 晃蕩加速度設置
位移振幅為0.04m、頻率為0.92Hz。對位移進行多次求導，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。
柔性構件則直接選擇默認鋁材料，只需調整楊氏模量即可。
3.4 模型設置
此處需要進一步打開VOF模型。
展開 STAR-CCM+流固模態-雙向流固耦合案例
一.流固耦合面臨的挑戰
結構設計的高度專業化。在結構設計上，不確定性越高，設計就會越保守。要開發安全產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構在工作中負載對它起到的作用，流固耦合是精確預測流動載荷的關鍵技術。比如著名的塔科馬海峽大橋，設計師兼顧了觀賞性和建造成本，但微風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。
結構的輕量化趨勢。輕量型結構與傳統結構相比具有更小的重量，剛度也是如此，這反過來又增加了結構和流體之間的物理耦合程度。
創新需求。對于輪機、管路、翼型等，預測系統或部件在流體流動下的性能是此類產品創新的關鍵。比如風機葉片，長達數十米，工作狀態時必然存在葉片變形，有必要分析風載荷對結構強度的影響，葉片變形對發電效率的影響，這樣才能更好的指導葉片設計的改進。
二.流固耦合技術需求
按照結構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，通常結構小變形、振動時，只需考慮流動載荷對結構變形的單向影響；雙向耦合是強耦合，當流動引起結構的加大變形，同樣結構的變化對流動的影響也不能忽視。
關鍵技術需求
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據交互；
3）流固耦合交界面上非共性網格的數據傳遞問題；
4）流體域中要反映結構的變形，需要流體網格變形模型。
三.STAR-CCM+中的流固耦合
1、流固耦合實現方式
STAR-CCM+中流固耦合實現方式大概為三種，基于文件的耦合、協同仿真和軟件內的耦合。
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