淺談流固耦合：幾個基礎問題及解決相關問題的軟件

2016-09-20 by:CAE仿真在線來源:互聯網

編者按:本文發表于若干年前,但是其中涉及的基礎問題仍然具有很好的借鑒意義。文章來自于網絡,作者為某論壇版主,但百度檢索未能找到其原始出處,故未能標明出處和作者,望見諒!

作為流流合版塊的版主,我感到慚愧。因為我幾乎就沒真正應用流固耦合做過工程。第一次應用流固耦合還要追溯到做碩士畢業論文的時候,當時做的是高壓水射流切割,屬于一個大課題中的小項,主要用的軟件是fluent。

但是利用fluent是沒辦法計算射流的切割效果的,流體軟件只能計算流場參數(壓力、速度、溫度等),對于應力計算實在是力不從心。我不知道導師是從哪里聽來的風聲,說讓使用mpcci將fluent與abaqus耦合計算固體變形乃至斷裂。當時也是初生牛犢不怕虎,老師說用那就用唄,于是開始關注固體計算,關注abaqus,關注mpcci。然而現實是殘酷的,流體與固體采用不同的計算網格(流體用歐拉網格,固體采用拉格朗日網格),對于斷裂的問題,單純采用abaqus勉強可算,然而耦合上流體之后,通常計算會以出現負體積而告終。

多次的失敗終于磨滅了導師的耐心,于是項目轉而采用LS-DYNA的ALE進行解決,而我的畢業論文,則徹底的舍棄了這一部分。搞射流的自然離不開噴嘴的設計,在研究射流噴嘴結構在高壓流體作用下的材料行為,于是又涉及到了流固耦合問題,這次很幸運,雖然壓力很高,然而壓差并不大,噴嘴的變形處于彈性小變形階段,我采用workbench中的CFX+ANSYS mechanic圓滿的完成了任務,計算的是雙向流固耦合,雖然到現在也不敢去評判計算結果的準確性,但好歹也是計算完畢,順利的通過了畢業答辯。

說起流固耦合,其實包含的范圍很寬。我們做流體,其實就包含了流場、溫度場、組分場等的計算。

流固耦合包含的以下幾類問題:

(1) 單向流固耦合。通常是忽略固體變形對流場的影響。

(2) 雙向流固耦合。考慮流場對固體變形的影響,同時也要考慮固體形變對流場的影響。計算量很大,而且很難收斂。

(3) 熱應力計算。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。