流固热耦合计算总结

工程中常会碰到耦合计算的问题，流-热、流-固、热-固、流-热-固耦合都是比较常见的耦合方式。虽然说最近版本的Fluent中已经具备了流固热三场耦合功能，不过其结构应力计算功能比较弱，只能计算线弹性问题以及简单的几何非线性功能，基本还停留在入门阶段，因此若对结构应力比较感兴趣的话，一般还是借助Mechanical及System一起来完成。

1、流热耦合

流热耦合也称之为共轭传热，可以在Fluent中单独完成，也可以利用Fluent Thermal模块一起完成。由于固体热传导现象物理模型较为明确，采用Fluent进行固体热传导计算精度也不会太差，因此对于共轭传热问题通常可以在Fluent中直接计算。

利用Fluent进行共轭传热计算，划分网格时建议流体域域固体域采用共节点的划分方式（可以在SCDM中设置共享拓扑，也可以在DM中将各几何零部件通过Form New Part操作进行共享），流固交界面采用共享节点可以提高计算精度。另外，在Fluent中需要设置流固交界面上的传热方式为Coupled。

流热耦合常用于计算流固耦合面上对流换热参数。

2、流固耦合

流固耦合是最常见的耦合计算类型，常用于计算流场作用下的固体应力应变。可以借助Mechanical模块及System Coupling模块实现单双向耦合计算，在最近的版本中，Fluent中也可以独立完成单双向流固耦合计算。

单向流固耦合较为简单，通常情况下先在Fluent中进行流场计算，然后将流场计算得到的压力数据传递到结构相应的几何表面上作为载荷，以此来计算流体作用下的应力应变。这里需要注意，从Fluent传出的压力均为流体流动产生的动压作用在壁面上转化而来的静压力，若几何结构收到额外的压力作用，还需要在Mechanical模块中单独添加额外的压力载荷。单向耦合可以是稳态和瞬态。稳态计算无需利用额外的System Coupling模块，而瞬态计算则需要借助于System Coupling模块进行时序数据的转发。

双向流固耦合计算中，Fluent软件需要考虑结构求解器传回的位移数据，因此需要开启动网格功能，并在动网格中设置流固交界面为System Coupling类型，这样设置后Fluent才能接收位移数据。双向流固耦合只能是瞬态计算。

Fluent中也可以直接进行流固耦合计算，不过计算固体应力的Structural模块不支持多面体网格，也不支持在Workbench中启动（只能单独启动Fluent使用）。Fluent中的Structural模型只能简单的考虑几何非线性，不支持材料非线性（非线性材料）与状态非线性（如接触问题等），而且Fluent中网格只有一阶，除非确信为线弹性小变形且网格非常细密，否则还是得需要借助Mechanical模块进行应力计算。

3、热固耦合

热固耦合也常称为“热应力计算”，用于计算温度导致的结构应力，通常可以使用Thermal Mechanical模块来完成。不管是稳态还是瞬态热固耦合，都不需要借助System Coupling。

在使用Thermal Mechanical模块进行热固耦合计算过程中，需要利用Thermal模块计算固体内部温度，利用Mechanical模块计算结构的热应力。这里需要设置材料的热导率、比热以及热膨胀系数，在热应力计算过程中，还需要设置环境温度。

在新版本的Fluent中也可以进行热应力计算，通过在Structural模型中激活热应力选项可以激活热应力模型，此时需要在材料参数中设置固体材料的Starting Temperature及热膨胀系数。

4、流固热耦合

流热固耦合涉及到三个物理场，可以在Fluent中直接进行，需要开启能量方程计算温度场，开启Structural模型计算结构应力场。设置边界条件时，指定固体侧交界面的三个自由度边界条件为Intrinsic FSI，若为双向耦合，还需要开启动网格，并在运动区域中指定流体侧交界面为Intrinsic FSI。需要注意的是，采用此方式进行流热固耦合计算，在几何建模时确保流固交界面共享拓扑。

若使用System Coupling进行流热固耦合计算，由于Mechanical默认采用Solid单元类型，并不具备温度自由度求解功能，所以需要使用耦合场单元。六面体和四面体耦合场单元分别为Solid226及Solid 227，可以在几何节点上插入Command，并根据网格形状输入et,matid,solid226,11或et,matid,solid227,11来实现。

当使用了耦合场单元后，还需要在固体求解器中创建System Coupling Region后，指定System Coupling Region节点下的属性项Data to Transient[Expert]参数为All System Coupling Data Transfers，这样热参数才能够发送至System Coupling。

注：早期的ANSYS版本中，只有Fluid Solid Interface，新的版本中添加了System Coupling Region，如果外部求解器是CFX或Fluent，则两者可以通用。若外部求解器为其他求解器，则只能使用System Coupling Region。

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5、结构热

这里的结构热指的是结构做功而产生热，如摩擦生热问题。此类型的耦合不同于热应力计算，无法采用两个求解器间接耦合的方式进行求解，这里只能使用耦合场单元进行直接耦合计算。通过转换单元类型，使Mechanical具备温度场计算能力。

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