floefd 流固耦合的案例
基于FLoEFD的新能源水冷電機流固耦合散熱仿真 ￥20
附件包含詳細的step by step教程文件和step 3D 模型，可以為學習者提供指導。
教程僅為學習參考所用，作者不對數據真實性保證，付費文件，請謹慎下載，謝謝
【流固耦合】降落傘充氣過程流固耦合分析
在充氣過程中，傘衣的結構大變形與傘衣周圍流場變化的相互耦合是十分復雜的。因此，想要通過理論模型求解該過程是非常難以實現，而數值仿真技術將提供較好的解決思路。
降落傘的數值模擬是典型的流固耦合問題。解決該問題的主要思路是：應用計算流體動力學模擬降落傘的流場特征，通過結構有限元法模擬降落傘的結構特性，然后把兩者通過迭代耦合的方式結合起來，完成降落傘的數值模擬。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，初始狀態設定為半折疊狀態，如圖1所示，將其保存為stp格式并導入Hypermesh中進行前處理。確定傘繩初始長度，并設定頂點位置，通過line功能建立傘繩線條。根據幾何模型大小對流體域進行建模，可設置為圓柱體域空間，選擇合適的尺寸對上述部件進行網格劃分，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，關鍵字為MAT_034,其密度為500kg/m3，彈性模量400MPa，泊松比0.15，厚度設置為2mm。傘繩選擇離散梁單元材料，關鍵詞為MAT_071，其中密度為400kg/m3，彈性模量97000MPa，截面積可自行設置。流體域賦予理想氣體，并設定空氣流速為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。計算結果展示如下：
圖3 不同時刻降落傘充氣狀態（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
文章內容轉自“云數仿真”微信公眾號
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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 【流固耦合數值仿真算例】風機葉片流固耦合數值仿真
為了更好地了解風機的結構及特點，提高風機的總體設計水平與使用效能，可通過自建高性能并行集群仿真平臺， 利用OpenFOAM開源軟件進行計算， 考慮流固耦合方式對風機葉片上的氣動載荷進行分析。 下圖為數值模擬結果。
風機在計算域中的示意圖
風機在計算域中的示意圖
風機在簡化氣動力下轉動效果
流固耦合條件下模擬，可以考慮風機塔架、機艙的振動響應。
在此種模擬方法下，可以輸出風場縱剖面速度云圖，考慮風機的尾流效應。
單風機尾渦效果展示
雙風機尾渦效果展示
葉片是風力發電機中最基礎和最關鍵的部件，其良好的設計，可靠的質量和優越的性能是保證機組正常穩定運行的決定因素。考慮流固耦合方式對風機葉片上的氣動載荷進行分析，可以為風機的總體設計提供一個較為全面的建議及分析方法。
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，進行流體計算的軟件主要是FLUENT與CFX，而參與固體力學計算的模塊主要是APDL（俗稱的經典模塊）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，即可構成流固耦合計算方案。由于本人對于APDL的耦合計算應用較少，因此本次不打算討論APDL在流固耦合上的應用。
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的聯合仿真，可以實現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實現雙向耦合計算，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送數據信息，另一方并不反回數據。分為兩種情況：
（1）流體求解器向固體求解器發送壓力及溫度數據。這是最常見的單向耦合計算。通常用在固體熱應力計算，或計算流體載荷在固體上產生的應力。一般來說這種計算都是基于固體小變形假設，也就是說固體的形變對流場產生的影響可以忽略。
（2）固體變形對流場的影響。這種情況在實際計算過程中很少應用到，因為流體計算中的動網格功能完全可以滿足要求。
2、雙向耦合
雙向耦合應用于流體作用于固體變形耦合強烈的領域。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。
這兩種情況在實際應用中都會經常遇到。
OK，下面談一下如何在ANSYS中解決這幾類耦合問題。
展開 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
基于Hypermesh前處理與Fluent、Optistruct求解器的流固耦合分析（二）流固耦合
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接上一篇博客，基于Hypermesh前處理與Fluent、Optistruct求解器的流固耦合分析（一）流場計算 ，目前已完成了從Hypermesh前處理到Fluent流場計算，獲得了流體結構邊界面的壓強信息，本篇博客將繼續說明后續的流固耦合計算過程。
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一、建立結構有限元模型
固體區域的結構如下圖所示：
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該結構為中空的薄壁結構，內部有十字交叉的加強筋作為支撐。因此選擇使用殼單元進行結構力學計算，結構計算采用OPtistruct求解器，因此將Hypermesh切換到OPtistruct求解器模塊下
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導入幾何模型后，提取該薄壁結構的外表面（而不是抽取中面，因為需要保證結構域邊界和流體域邊界能在空間中對上，減小后續壓強數據映射的誤差），內部加強筋則抽取其中面。修補幾何拓補關系后劃分網格，得到完整的結構力學計算所用有限元模型，如下：
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設置屬性與材料，需要注意的是，這里外型面的網格不是在幾何模型的中面位置而是在其外表面，因此需要設置一下pshell屬性里的ZOFFS偏移參數
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該參數可能為正可能為負，和殼單元的法向相關，至于是否設置正確，可以簡單的通過以下命令查看，該命令可以顯示殼單元的實際厚度，看能否和幾何模型對得上即可。
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到這里，結構部分的有限元模型便建好了，下一步需要將Fluent里的載荷映射到結構網格上。
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 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單向流固耦合案例 附ANSYS流固耦合分析與工程實例下載
流固耦合（Fluid-solid interaction，FSI）計算，通常用于考慮流體與固體間存在強烈的相互作用時，對流體流場與固體應力應變的考察。FSI計算按數據傳遞方式可分兩類：單向耦合與雙向耦合。所謂單向耦合，主要是指數據只從流體計算傳遞壓力到固體，或者只從固體計算傳遞網格節點位移到流體。雙向耦合則在每一時刻都同時向對方發送相應的物理量（流體計算發送壓力數據，固體計算發送位移數據）。
ANSYS Workbench中可以利用Fluent與DS進行單向流固耦合計算。我們這里來舉一個最簡單的單向耦合例子：風吹擋板。我們假定擋板位移可忽略不計，固體變形對流場影響可以忽略，所考慮的是流體壓力作用在固體上，固體的應力分布。當然這里的壓力可以換成溫度等其他物理量。
1新建工程
注意是從Fluent →Static Structure。連接圖如1所示。
圖1 工程關系
圖2 進入DM建模
2 DM創建模型
進入Fluent中的DM進行模型創建，如圖2所示。流固耦合計算中的幾何模型與單純的流體模型或固體模型不同，它要求同時具有流體和固體模型，而且流體計算中只能有流體模型，固體計算中只能有固體模型。建好后的模型如圖3，4，5所示。由于固體模型需要從這里導入，所以我們保留固體與流體模型。
展開 學完技術鄰ABAQUS流固耦合課程，能解決哪些實際流固耦合問題？
很多人學習ABAQUS流固耦合前都會困惑：“學完到底能解決工作 / 科研中的哪些具體問題？” 技術鄰 ABAQUS 流固耦合定制培訓，依托全行業真實項目經驗，聚焦航空航天、汽車、科研等領域的核心流固耦合難題，讓你學完就能針對性解決實際問題，避免 “學了用不上”。
一、航空航天領域：解決高精尖耦合難題，匹配工程可靠性要求
航空航天領域的流固耦合問題，多涉及高溫、高壓、隨機載荷等復雜工況，技術鄰課程能幫你解決以下關鍵問題：
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，易出現結構應力超標、隔熱層脫落等風險；
2) 課程解決方案：教你用 “多物理場（CEL/SPH/ALE）技術”，設置高溫材料屬性（隨溫度變化的彈性模量、熱導率），模擬隨機載荷下尾噴管與隔熱層的碰撞過程，精準計算碰撞應力與振動響應，確保結構安全；
3) 應用成果：學員曾用該方法解決某航天器尾噴管 “碰撞后局部應力超 350MPa” 問題，優化后應力降至 280MPa 以下，符合工程標準。
1. 反無人機抓捕網動力學耦合問題
1) 實際痛點：抓捕網發射后，受氣流影響易出現展開形態不規則、無法精準包裹無人機的情況；
2) 課程解決方案：指導選擇 “Membrane 膜單元” 構建高柔性抓捕網模型，設置不同氣流速度參數（如 10m/s、15m/s、20m/s），模擬網體與空氣的相互作用，分析展開時間與形態，優化網眼大小、材質剛度等參數；
3) 應用成果：某安防領域學員通過學習，將抓捕網 “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、汽車領域：聚焦降噪、熱管理核心痛點，貼合主機廠需求
汽車行業的流固耦合問題，直接關系駕駛體驗與安全，技術鄰課程能針對性解決兩大核心場景問題：
1.
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。
展開 淺談流固耦合：幾個基礎問題及解決相關問題的軟件基于MpCCI的Abaqus和Fluent流固耦合案例
這個主要是溫度與結構的耦合。計算結構在溫度變化影響下的應力應變分布。
流固耦合計算量相當大，主要是因為固體計算對內存的消耗很大。因此在工程上，若不是特別需要的話，盡量少用流固耦合，能用單向耦合計算的盡量不用雙向耦合，能不用耦合的盡量不用。因為計算資源要求太高，必然導致網格數量的下降，導致計算精度的降低。
那么什么時候需要用流固耦合呢？
(1) 流體與固體耦合非常強烈時。如風中飄動的紅旗。這通常是由于固體剛度比較小，變形比較大的原因所引起。
(2) 對于一些涉及到考慮流場中的固體應力計算問題，通常要采用流固耦合方法。
流固耦合計算的數據傳遞方式及傳遞物理量：
(1) 對于單向耦合，通常傳遞的物理量為壓力。實際上是將流體計算的壓力當作載荷加載在固體上，計算固體的應力應變。
(2) 雙向耦合問題，通常在每一步都需要傳遞數據，流體計算傳遞的數據為壓力，固體求解器所傳遞的數據為節點位移。這樣在每一次迭代后更新固體載荷與流場情況。
強耦合與弱耦合的問題：
強耦合主要是指將固體與流體計算所需的物理量耦合在一個大系統中進行求解，目前還沒有任何軟件能解決強耦合問題。而弱耦合則是流場與固體變形分別計算，只是在不同求解器間傳遞數據，當前幾乎所有流固耦合問題求解器都只能求解弱耦合問題。
能解決流固耦合問題的軟件：
ADINA：能在一個軟件中解決流固耦合問題，包含有流場求解與固體求模塊，非線性求解能力很強，綜合能力也不錯。只是前處理功能弱一些。
CFX+Mechanic：ANSYS workbench中位移能求解雙向耦合的組合，受mechanic求解非線性能力的限制，對于大變形強非線性問題，求解經常出錯。此組合亦可求解單向耦合。
展開 STAR-CCM+流固交界面處理教程：管道大變形過程的流固耦合分析
為了考慮流體與固體之間的相互作用，激活Fluid Structure Coupling，該模型允許在流-固界面進行隱式數據交換，從而實現流固耦合分析。Nonlinear Geometry模型用于模擬非線性現象，如大的位移和旋轉運動，以及細長零部件的拉伸或壓縮變形。對于非線性幾何現象（大應變）和非線性材料，平衡方程是非線性的。為了求解非線性方程組，Simcenter STAR-CCM+采用牛頓迭代法更新剛度矩陣。固體域激活的模型如圖4所示。
圖4 固體域所用模型
定義可壓縮流體的狀態方程，流體密度由聲壓和聲速計算得出。流體特性需要用Field Functions定義，包括流體密度、水聲速和密度-壓力導數，如表2所示。注意：需要激活可壓縮才能出現完整的屬性界面：Continua > Fluid Physics > Models >User Defined EOS node.
表2 水的屬性
其中的聲速和密度-壓力導數用Parameters定義，密度用Field Function給出，見圖5。材料物性的設置列于表3中。
圖5 Parameters和Field Functions定義
表3 水的材料物性設置
管道壁面的固體材料物性如表4所示。
表4 固體屬性
除流體速度外，其他物理量如位移、壓力和固體速度等的初值全部為0.
創建流-固界面
在流-固耦合問題中，流體和固體域通過共用的交界面交換場數據。由于FE solid stress框架完全基于Parts，因此可以從流體Parts和固體Parts之間的Contact 創建流-固交界面。通常在分配Parts到Regions時已經自動創建出Interface。
展開 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，建議工程師在做復雜系統仿真前明確這些基本定義。
耦合場 (Coupled Field) 真實物理世界中，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。例如電機發熱導致結構熱膨脹，這就涉及到電磁-熱-力多場耦合。
順序耦合 (Sequential Coupling) “串聯”解法。先計算物理場A，將A的結果（如溫度分布）作為外部載荷提取出來，單向傳遞給物理場B（如結構場）進行求解。優點是計算成本低，適用于單向影響主導的場景。
直接耦合 (Direct Coupling) “并聯”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、必須實時反饋的場景（如壓電效應）。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。流體的流動產生壓力使固體發生變形，而固體的變形又反過來改變了流體的流場（如風機葉片形變、橋梁風振）。按反饋程度也分為單向FSI和雙向FSI。
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