万亿级低空经济开局！教你搞定无人机流固耦合仿真技术难题
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导读：2023年我国低空经济规模超5000亿元，2030年有望超过2万亿元……低空经济今年被首次写入政府工作报告，党的二十届三中全会也专门提到发展低空经济。
宁振波老师在第20届中国CAE年会做《数字仿真助力低空经济腾飞》报告
其中，广东提出到2026年打造世界领先的低空经济产业高地。上海提出，到2027年建立低空新型航空器研发设计、总装制造、适航检测、商业应用的完整产业体系，核心产业规模达500亿元以上。安徽提出，到2027年低空经济规模和创新能力达到全国领先水平，经济规模力争达到800亿元。据统计，我国已有20多个省份将发展低空经济写入地方政府工作报告或出台相关政策，争相布局低空经济，希望依托新技术拓展新市场。
随着低空经济的快速发展，对飞行器的性能要求日益提高。飞行器在高速飞行过程中，其周围流场与机体结构之间会产生强烈的相互作用，即流固耦合现象。这种现象不仅影响飞行器的气动性能，还直接关系到结构的稳定性、耐久性和安全性。因此，准确模拟和预测流固耦合效应，对于提升飞行器整体性能具有重要意义。
一、什么是流固耦合仿真
流固耦合仿真（Fluid-Structure Interaction, FSI）是一种模拟技术，用于研究流体与固体结构之间相互作用和相互影响的问题。在这种仿真中，流体和固体的动态行为是相互耦合的，即流体的流动会影响固体的变形或运动，而固体的变形或运动也会反过来影响流体的流动。1、流固耦合仿真的类型
从数据传递的角度出发，流固耦合仿真可以分为单向流固耦合分析和双向流固耦合分析：单向流固耦合分析：指耦合交界面处的数据传递是单向的，一般将CFD（计算流体动力学）分析的结果（如力、温度和对流载荷）传递给固体结构分析，但固体结构分析的结果不反馈给流体分析。适用于固体变形对流体流动影响较小的情况。双向流固耦合分析：指数据交换是双向的，既有流体分析结果传递给固体结构分析，又有固体结构分析的结果（如位移、速度和加速度）反向传递给流体分析。适用于流体和固体介质密度比相差不大或者高速、高压下，固体变形非常明显且对流体的流动造成显著影响的情况。流固耦合仿真技术通过数值模拟手段，能够有效地模拟飞行器在复杂流场中的动态行为，为设计人员提供丰富的数据支持和设计参考。该技术不仅能够预测结构在流体动力作用下的响应，还能优化气动布局，减少气动阻力，提高飞行效率。同时，通过对疲劳寿命的评估，可以确保飞行器在长期使用过程中的安全性和可靠性。因此，流固耦合仿真技术在飞行器设计中具有广泛的应用价值和深远的研究意义。二、流固耦合理论
（1）流体力学
流体力学是研究流体运动规律及其与固体相互作用的一门学科。纳维-斯托克斯方程作为描述流体运动的基本方程，在流固耦合仿真中发挥着重要作用。此外，边界层理论也是理解飞行器周围流场特性的关键。通过对速度场、压力场等流场特性的准确描述，可以为流固耦合仿真提供可靠的输入条件。（2）结构力学
弹性力学与振动理论是结构力学的重要组成部分。它们为研究飞行器结构在流体动力作用下的响应提供了理论基础。有限元法作为结构动力学分析的有效工具，在飞行器结构建模中得到了广泛应用。通过构建高精度的有限元模型，可以准确模拟飞行器结构的动态行为。（3）流固耦合机制
流固耦合机制是指当流体（如液体或气体）与固体结构相互作用时，流体的运动状态会影响固体的变形或运动，而固体的变形或运动又会反过来影响流体的流动状态，两者之间通过界面力（如压力、剪切力等）进行动量和能量的交换。流固耦合现象具有高度的非线性、动态性和多物理场耦合性。它涉及到流体域和固体域之间的相互作用，以及两个域内各自物理场的相互影响。此外，流固耦合问题还常常伴随着移动边界和移动网格等复杂情况，使得问题的求解变得更为困难。流体对固体的作用：当流体流经固体结构时，会对固体表面产生压力、剪切力等作用力。这些力会使固体结构产生变形或运动，进而影响其稳定性和安全性。固体对流体的作用：固体结构的变形或运动会改变流体流动的通道和速度分布，从而影响流体的流动状态。例如，在管道中流动的流体受到管道壁变形的影响时，其流速和流向可能会发生变化。在某些情况下，流体与固体之间的相互作用可能表现为静态耦合。即流体的压力、温度等参数对固体的影响是缓慢且稳定的，不会引起固体的显著变形或运动。在更多情况下，流体与固体之间的相互作用表现为动态耦合。即流体的流动状态会随着固体结构的变形或运动而发生变化，同时固体的变形或运动也会受到流体流动状态的影响。这种动态耦合现象在航空航天、船舶海洋、土木工程等领域中尤为常见。
三、航空流固耦合仿真技术
1、仿真方法
流固耦合仿真通常采用CFD（计算流体动力学）与CSD（计算结构动力学）相结合的方法。FSI（流固耦合）耦合算法是实现两者数据交换和同步求解的关键技术。在仿真过程中，需要采用离散化技术将连续的物理场转化为可计算的数学模型，并通过网格划分和时间积分策略来求解控制方程。同时，合理的边界条件和初始条件设定也是保证仿真结果准确性的重要因素。2、软件工具与平台
目前市场上存在多种流固耦合仿真软件工具，如ANSYS Fluent+Mechanical、Star-CCM+与Abaqus联合仿真等。这些软件工具各具特色，功能强大且适用广泛。它们不仅提供了丰富的仿真模块和求解器选项，还具备强大的后处理功能，能够方便用户进行结果分析和可视化处理。
以下是直播安排：
2024航空航天设计仿真（二）：使用Star-CCM+搞定航空流固耦合难题-仿真秀直播
四、飞机机翼流固耦合案例
流固耦合仿真技术在飞行器设计中具有广泛的应用场景。其中典型的应用包括飞机机翼颤振分析、直升机旋翼-机身相互作用以及发动机叶片流固耦合振动等。这里采用STAR-CCM+对机翼进行流固耦合颤振仿真。对固定翼无人机建立几何模型，包括机身、机翼、螺旋桨，计算域包括流体域域固体域。2）划分网格
采用多面体网格对流体域进行了划分，四面体网格对固体域进行了划分.
3）建立物理模型
对流体域采用有限体积法进行求解，建立了求解粘性三维NS方程模型，固体域采用有限元法进行求解，建立弹性力学模型。给定自由流边界，固体域网格采用固体应力求解器求出的变形位移，流体域网格跟随固体域边界运动而运动。五、2024航空航天设计仿真
航空航天领域是一个高风险行业，任何细微的设计缺陷都可能导致严重的后果。设计仿真技术可以在研发早期发现并解决潜在的问题，从而降低研发风险。通过仿真模拟飞行器的各种工况和故障模式，工程师可以评估其安全性和可靠性，并制定相应的应对措施。
设计仿真技术还可以模拟飞行器的气动性能、结构强度、热防护等多个方面的性能参数。工程师可以根据仿真结果对设计进行迭代优化，以提高飞行器的整体性能。例如，通过仿真分析飞行器的气动布局，可以优化其升阻比，提高飞行效率；通过仿真评估飞行器的结构强度，可以确保其在极端条件下的安全性和可靠性。
9月11日-10月31日，由仿真秀主办的2024航空航天设计仿真技术交流月将围绕“航发燃烧室仿真、飞行器流固耦合仿真、航空产品的热学设计与仿真、无人机结构强度疲劳分析、反射器结构优化、航空橡胶轮胎疲劳失效的热力耦合分析、航空部件的塑性加工分析、载人航天热分析和航空复合材料强度分析等主题组织九场线上讲座。旨在帮助学习者掌握设计仿真关键技术和解决企业（科研机构）产品研发中遇到技术难点和痛点。
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即日起至12月31日，在仿真秀官网原创首发航空航天，汽车交通、复合材料、高性能计算等设计仿真精品课程，开展干货技术讲座和技术投稿等，有机会赢取仿真100000+现金红包和流量扶持等。欢迎认证仿真秀讲师，并咨询专属课程顾问。
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