流固耦合|基本介绍

导读：介绍流固耦合的基本概念以及Ansys仿真基本流程。

• 流体流动过程中和固体之间互相作用、互相影响的过程:
• 流体会将自身的压力载荷和热载荷传输给固体
• 固体受气体压力/热载荷后会发生变形, 如变形大到足以影响流场, 则需采用双向流固耦合（双向流固耦合：2-way FSI）
• 固体变形较小则对流体的反向影响可以忽略 (单相流固耦合：1way-FSI)
• 固体也可能同时受到其他外力影响发生变形, 进而影响流体流动
• 固体受外力影响发生大变形影响流体流动也需采用双向流固耦合分析 (2-way FSI)

• 许多复杂的非定常问题同时涉及流体和固体之间的相互作用
• 只有采用双向流固耦合分析方法才能捕捉物理现象的本质

• 流固耦合分析可按照物理现象之间的关联程度进行分类，一种物理场和另一种 物理场的耦合程度如何
• 不同物理场之间耦合程度较高情况下需要采用双向耦合
• 不同物理场之间耦合较弱的情况下可以采用单向耦合求解方法

1. 流体方程和结构方程单独分开求解, 类似于 湍流在CFD仿真中和动量方程分开来求解
2. 流体求解器和结构求解器一般是单独分开的
3. 在每个时间步长内流体和求解分布迭代求解, 直至交界面上的数据完全收敛
4. Ansys可通过Fluent + Mechanical实现双向隐 式流固耦合求解    

• MAPDL和CFD之间传输的数据需要进行多步的耦合迭代求解以达到收敛
• 类似于在CFD和FEA中求解时也需要进行迭代以求得收敛的计算结果
• 气动力、几何变形、温度、热流、换热系数+换热系数参考温度均可以进行传递    

• Field Loop在单物理场求解收敛后停止迭代（或 达到最大迭代步数后）
• CFD无需在每一个耦合步中都收敛, 只需要在一个时间步的最后一个耦合步中收敛即可
• Coupling Loop在耦合面上的传输数据收敛后停止迭代（或达到最大迭代步数后）
• 确保每一个单个流场和传输数据均收敛后再进入下一个时间步
• 假设Fluent的Field Loop迭代步数是10, Coupling Loop的迭代步数是5, 总时间步是 100 , 那么 Fluent总的最大计算步数是 10 * 5 * 100=5000    

• 基于Fluent和Mechanical的稳态/瞬态的单向/双向耦合仿真
• 气动力/几何变形在Fluent和Mechanical之间进行传递
• 热流和换热系数在Fluent和Mechanical之间进行传递
• 耦合仿真进行迭代计算, 求得隐式的计算结果
• 所有的结果单元都适用, SOLID/SHELL/SOLSH单元等; 适用于Fluent 的大部分功能
• 支持停止以后的继续计算; 支持在CFX-Post中进行后处理; 支持参数化;

• 全瞬态双向流固耦合仿真：可实现变形、气动载荷、温度载荷在流体和固体之间的传输
• Workbench提供流固耦合分析的标准流程
• 将Fluent的Setup单元和Static/Transient/Thermal的Setup连接到System Coupling的Setup上去    
• 几何可以进行共享
• 流体域和固体域的网格分别单独划分
• Solution的更新统一在System Coupling中进行
• 如果要考虑结构热分析的话则需调用Structural模块

• 导入及创建几何
• 可在DM或SCDM中抽取流体域
• Mechanical中设置
• 同标准Mechanical中的设置非常类似
• 将需要进行流固耦合数据交换的面设置为Fluid Solid Interface
• 对于Structural + Thermal耦合需要用命令行选 择耦合单元并设置热边界条件

• 首先创建流体域网格（暂时不支持多面体网格）
• Fluent中设置
• 和标准Fluent中仿真流程设置非常相似
• 选择Dynamic Mesh来接受网格变形
• 对耦合面选择system coupling选项
• 如果要考虑温度传递的话, 需要激活壁面Thermal 选项下的via System Coupling选项    

• 设置右键System Coupling的Setup选择Refresh
• 此操作会读入Fluent和Mechanical中最新的设置
• 双击打开System Coupling设置界面
• 设置: End Time
• 时间步长: StepSize
• 每个时间步内的最大/最小计算步数
• 创建数据交换界面Data Transfer(交换气动载荷与变形)
• 其他耦合设置

• 设置完成后可启动求解计算
• 点击Update启动计算
• 可在界面中查看耦合面的数据收敛情况
• 可在下方收敛日志中查看计算数据    

• 计算完成后可以调用单独的Result Post进行后处理结果显示
• 也可将Transient/Thermal中Solution单元拖曳到Fluent的Results同意查看流体和固体的计算结果。