流沙CAE-谈谈流固耦合计算

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作者：流沙CAE

最近群里头讨论流固耦合计算很热烈，我以前用workbench做过一阵子的流固耦合计算，在这里想把当初的一些想法以及经验记录下来，留作日后复习之用。

流固耦合（fluid solid interaction，简称FSI)，是将计算流体力学（CFD）与计算固体力学（CSM）结合在一起计算固体在流体作用下应力应变及流体在固体变形影响下的流场改变。例如，随风飘扬的红旗，我们可以通过流固耦合方法计算红旗在飘扬过程中固体的张力以及流场变化。

1、流固耦合模型

建立计算模型时，需要同时创建固体模型与流体模型。

2、流固耦合计算类型

从耦合松紧来说，分为强耦合与弱耦合；从数据流动方向来分，可分为单向耦合与双向耦合。目前绝大部分流固耦合计算软件，都是弱耦合；很多软件可以做双向流固耦合，如ADINA，CFX+WB+ANSYS，comsol，fluent+mpcci+abaqus等，通常能做双向耦合的软件组合都可以做单向耦合。

3、耦合计算中数据的流向

数据可以从CSM流向CFD，也可以从CFD流入CSM，但是在计算中，会存在一个时间步的时滞。

图1 单向耦合

 图2 双向耦合

图1为单向耦合数据流向，流体分析将压力分布结果传输给固体计算，固体计算结果并不返回任何数据给流体程序。

图2为双向耦合数据流向，流体计算将压力传递给固体计算，固体计算程序将节点位移返回给流体程序以更新流场。

4、传递方式

通过设置fluid-solid interface的形式，所有需要传递的数据均在此交界面上进行插值传递。

5、计算类型

单向计算可以使用瞬态或稳态，双向计算通常为瞬态计算。推荐固体与流体时间步长一致。当然在一些软件，如adina中，只有一个时间步概念，采用流体时间步，它的固体计算自动采用与流体时间步保持一致。

6、计算结果查看

流体中主要查看流场改变，固体中主要查看位移、应力及应变信息。