流固耦合理论研究述评(1)
一流固耦合问题研究进展
苏波1袁行飞2聂国隽3’钱若军1
(I M济人亇十木r.W学K,.丨?.海200092) ( 2浙il:大予十木工W学院,杭州310027) ( 3同济人学航空航天与力学学院，t:海200092)
摘要：流阇耦合(FSI)是F]前很多领域研究的热点和也是难点之一。R前，国内研究对此相对滞后或比较片闹。为在同一软件Y-台上实现多种耦合算法，本义对流固耦合理论进行了研究。内容钮括FSI研究进展：流体力学基本理论和流体计算力学力学(cro)有限元法；耦合界面条件、边界追踪、网格更新、以及大型非线性方程的求解等诸多>1题：特別是对0前广为关注和讨论的强耦合和弱耦合算法作了理论上的探W?和区分。本文为流固耦合理论数值模拟提供理论和方法的指导。
关键词：流网耦合，强耦合，弱耦合.边界条件.ALE法
一、引言
在工程应用中，会遇到很多由于流体和结构相互作用引起的物理现象，例如机翼的稳定和响应、流过动脉的血液、桥梁和高耸建筑的风振响应等。流固耦合问题是目前广为关注和.具有挑战性的课题之一，涉及多个领域和多方面的技术，解决这一问题需要对流固耦合理论体系作广泛和深入的研究。
近二三十年来，国外很多的研究团体对流固耦合理论及流固耦合数值求解方法取得了很多的成果。最突出的是美国麻省理工学院(MIT)教授Klaus-JUrgen Bathe领导开发的ADINA软件系统，其FSI求解模块可以模拟流体和涉及大变形、接触等具有明显非线性响应的结构之间完全耦合的物理现象n.31。国内起步较晚，哈工大的沈士钊、武岳等采用分区迭代算法求解流固耦合作用，对索膜结构风致动力响应进行了研究但总结起来，目前国内对流固耦合理论体系及其数值模拟的研究跟国外相比差距较大，鲜有系统的研究。由同济大学钱若军教授领导的流固耦合数值模拟研究小组，S前正对流固耦合理论体系及其数值模拟作系统的研究，致力于在单一软件甲台上实现强、弱耦合算法。作为阶段性的成果，本文对流固耦合理论进了系统研究和总结。主要内容包括如下几方面：
第二章为概论，对本文内容作了介绍，给出了流固耦合的基本概念，阐述了不同研究领域中的流固耦合现象，流固耦合问题的分类，并对流固耦合问题研究的发展和现状作了综述。第三章介绍了流体力学基本理论，包括N-S方程组及各种湍流模型。第四章阐述了计算流体力学(CFD)的主要内容和方法，重点研究了有限元法，总结了R前几种解决流体数值稳定问题的有效方法及单元技术。第五章为固体力学理论及CSD。第六章研究了解决流固耦合问题的几个关键部分。包括ALE描述方法，界面追踪，网格重化，以及界面信息传递等。第七章系统研究了流固耦合算法。从耦合方程的退化形式出发，阐述了强耦合、弱耦合和单叫耦合等算法。第八章介绍了非线性方程组求解方法。第九章为结论，对流固耦合理论体系进行了总
二、概论
(―)流固耦合基本概念
在流体（如空气、水流等）作用K,结构特别是柔性结构（如膜结构等）的响应如位移、速度和加速度等对周围流场会产生较大影响，而流场的改变会进一步改变作用在结构表面上的流体力大小，从而形
工业建筑2007增刊703
704 成流体与结构的相互稱合作用,即流体-结构(固体)的稱合作用(Fluid-Structures/SoUd Interaction),英文简 写为FSI,中文简称流固耦合【|；!】。
(二）土木工程领域中的流固耦合现象及其特点
流ISI 耦合现象在很多领域屮都广泛存在，如航空航X 工程、生物工程、机械工程等，近些年来在土木 I:程领域中得到取视。随矜科学技术的n 益发展以及大景现代材料、施上技术的涌现，出现许多新的结构。 K-屮特別引入注目的是高层建筑、大跨度桥梁、近海结构等，在设讣特点t,常常是非常具有柔性、阻尼 小且；轻，因而对于风的作用更加敏感。有必要发展出相应的研究手段，以便设计荇能史加准确地估计 风的影响。流固耦合数值模拟近些尔来在桥梁、族结构等谱多领域得到较好1的应用。
七木I 程中的流闹耦合作用有着区别.S 其它领域的A 身的特点：
1、受风作用的建筑物、桥梁都+是流线甩的，不具备良好的空气动力学特性，而往往是钝头体形状， 所以相关的问题还被称作钝体统流，W 而不可避免地伴随矜分离流动、涡的脱落、涡的振荡，并由此引起 结构和流休的耦合振荡。 ，
2、丨h7'?结构物的尺度都很大，所以流场的馆诺数是很高的，对丁?述筑物、桥梁而言，茁诺数一般在 105以丨?.，所以都是湍流运动，流场是很复杂的紊流，给研究带来巨大的因难。而H.风向是不定的，建筑 物周围的环境也娃干变万化的，耍完全准确地模拟流场，无论用实验手段还是数值模拟的手段，都是非常 困难的。 ^ ■
' 3、现代张力结构中，如索膜结构在风的作用下，变形较大，产生很强的振动，具有很强的儿何非线 性。这要比其他流域中的耦合问题要复杂不少。
(三）流固耦合问题的分类
1、从耦合机理区分
从总体上来看，流固耦合M 题按其耦合机理nj 分为叫人类：第一类问题的特征是耦合作川仅发
十.在 ^相交界面上，由耦合面h 的动力学平衡条件及运动学协调条件来引入方程上的耦合，如气动弹性、水动 弹性M 题等；第：类问题的特征是两相域部分或全部宽犄在?起，很难以明显分开，如渗流M 题。此吋描 述物理现象的方柷，特别足木构方程耑要针对具体的物理现象来建其耦合效应通过描述问题的微分方
程体现。
2、从对控制方程不同解法上E 分：强耦合和弱耦合
fsi 问题耑要将流体控制方程和结构得空制方程进行共冏求解，很多学者采用r 不同的方法来进行求 解。丨丨丨总结起來，t 要有强稱合(strong coupling)和弱耦吾(loose coupling)两种或分別称之为卩丨:接求解(direct) 和分K 迭代求解(partitioned)。
强耦合将流体域、阆体域和耦合作川构造在同?控制方程中，在单?时间步内，对所有求解变量同时 求解。其计算步骤和耦合方程系统可用F 图表示【51
。
图1强耦合步骤及耦合方程
强耦合优点娃物理概念比较淸晰，计算准确程度和收敛性较高。缺点是对计算资源要求较高。直接求 解比迭代方法拆时，适合求解没奋接触分析的小型到中等问题，也仅利于分析瞬态问题。
弱耦合在在毎?时间步内分别对CFD 方程和CSD 方程依次求解，固体域和流体域的计算结果通过搭建
工业建筑2007增刊I ?[
笫七届全国现代结构T .程学术研讨会
中间数据交换、r ?台彼此交换信息，从而实现耦合求解,其计算流权如图2|6)。
[^Flnid~| [ Structure]
图2弱耦合计算流程
其优点是河以采用现有的求解器，或作很少的改进，就可以对耦合问题进行汁算。缺点是收敛速度较 慢，准确程度难以保证。
(四）流固耦合理论研究现状
流固耦合问题的研究主要有二种方法和手段。-是试验方法，如风洞试验；.：：是解析方法：三是数值 模拟。由于试验屮-般为刚性模型，所以气弹模型试验获得结构的响应特征对研究流固耦合现象具有先天 的不足。而解析方法山于对流体模型的简化，应用也具有很大局限性，主耍用以和试验及数值模拟分析结 果的对比研究。随着计算机技术的发展，数侦模拟技术得到广泛的S 视和应用。 1、简化气动模型
山于流固耦合计算的复杂性，目前比较W 内采用较多的方法是，从工程的应用的角度出发，结构的 动
力方程中考虑流场作用的影响，即所谓简化气动模型[7’8]，公式如下：
{M ^M a )x {t ) + (C s +C a )x {t ) + {K ^K u )x {t ) = F (t ) (2.1)
式中，M,,为气动质量、（：…气动阻尼，、为气动刚度，为气动力。该简化氕弹模型的特点足不考虑 具体的流场，ifi]是将流体和结构视为-个整体系统，并且通过适气的数学模型将气动力与结构运动参数联 系起来。这种方法的呵操作性强，叫采用试验成解析的方法来确定方程中的气动参’数。何这种处Pfi 方法还 不能在根本L 解释流凼耦合的机制。
流丨古丨耦合i 丨?馎押论应该涉及到三方面的内容：包牯流体动力学求解(CFD),结构动力学求解(SCD )和 流IAI 耦合界面的求解。完全的数值模拟应该从流体域和同体域的控制方程出发，考虑耦合界Ifii 的信息交换 进行计算求解，总体上可分为弱耦合和强耦合两大类。
2、弱耦合进展
徳111的GlOck 和Halfmann 等人采用分区耦合算法对膜结构流同耦合的数位模拟1㈣。文中对流体域的模 拟采用有限休积法，湍流模嘲为A 模型，为r 考虑动网格的影响引入ALE 描述格式；结构动力讣锌利 用了已有有限元软件ASE ，考虑了几何非线性的影响。作者利用上述程序完成了 ?个真实膜结构（阁3)在 30m /s 风速卜的稳态变形模拟，计贫结粜如图4所示。彳H.从其研究成果丨=1前还仅限T ?对薄膜与风场耦合稳 态响应的模拟，对于我们更关心的瞬态响应模拟没有提及。
工业建筑2007增刊 . 705 ct'nvcr^cJ lioal suluimn
图5真实膜结构的计算横型图6计算得到的膜结构位移图(m)美国Keith Stein在美国军方的资助下，采用弱耦合方法对T-10型降落伞系统下降过程过的膨胀过程进行了数值模拟llQ】。流体域（FD)采用了稳定时空有限元公式(stabilized space-time),结构域（SD)采用有限元公式。降落伞系统的动力过程相当复杂，取决于高度变形的降落伞结构系统和存在涡流、瞬态的周削流场的非线性耦合作用吣军用T-10降落伞系统.由直径35英尺的遮蓬和每根29.4英尺长的30根吊线构成，图5? Keith Stein在美国Network Computing Services的CRAY T3E-900和军方髙性能计算中心(AHPCRC)的CRAY T3E-1200上进行了模拟，耦合模拟时间迭代步A/ = 0.005。图6为计算得到系统在5.1S 时的压强分布云图。
图5膨胀后的军用T-10降落伞系统图6 5.1S时系统压强分布云图
国内武岳采用分区迭代算法建立一种适用于大跨度张拉结构风振分析的数值风洞方法，编制了相应的有限元计算程序MFSI12]。流体域采用Taylor-Galerkin有限元法和大涡模拟技术来求解不可压缩粘性流动：结构域的计算采用Update-Lagrangian有限元列式和Newmark逐步积分技术，并考虑了几何非线性的影响; 网格域采用拟弹性介质法来计算动态网格的更新。并应用有限元计算程序MFSI对典型形状的大跨度二维屋盖结构形式进行了刚性模型和弹性模型的流固耦合参数分析，探讨了跨髙比、尾面坡度、下部开敞情况、屋面质量和初始预张力等参数对结构流固祸合特性的影响。研究表明，索膜结构与风的相互作用问题呈现出宽带、受迫振动特征。由屋盖前缘周期脱落的大尺度旋涡是诱导结构振动的主要原因，随着大尺度涡沿屋面向下游移动，其动能逐渐转化为结构变形能，使结构振动形态呈现明显的涡激振动特征。结构质量、来流风速和初始预张力是影响流固祸合性能的主要参数。由于结构响应以背景响疢为主，共振响应分量较小，因此可以认为张紧的索膜结构不存在气弹失稳现象。、、
3、强耦合进展
Ia(1991)最早提出了将流体域和固体域建立一个统一的求解方程。釆用这种方程进行计算，当求解结? He
S
构的运动方程时，必须要显式的计算出流体作用在结构表面上的力。换句话说，在结构表曲的张力并不是…个已知的速度和压力的函数而是未知的速度和压力的函数，这些未知变量将和结构系统一起进行求
706 ‘?工业建筑2007增刊Hu(1996)|11】成功地对统一的混合方程进行了求解，成功的仿真了100-400个粒子在受到与重力方向相反的压力梯度的作用下在腔道中运动的过程，对于流体采用半隐式和半显式的方法求解了 N—S方程采用
ALE方法进行描述，并采用迭代的方法来求解边界上的动态网格。他的研究发现，当粒子离开墙壁时，存在一个润滑层，在这个层中，压‘力的梯度比重力要大的多，而且在这个层中，粒子之间的相互作用非常强烈，并且随着Reynold数的增加会出现粒子簇。后来Choi(2001)^采用分离变量的方法对流固耦合问题的混合方程进行求解，其总采用了四步法和ALE技术，并引用了对称的压力方程。
B.Hubner(2001-2004)[513'141采用时间非连续稳定化的空间有限单元法（Time-discontinuous stabilized space-time finite elements)应用于离散所有的模型方程，建立单…?的方程系统^为了求解大的非线性方程的稀疏系统，利用preconditioned BiCGStab solver。计算分析了具有弹性膜顶的二维结构粘性流体绕流问题，阁7。屋面的前缘发生流动分离而尾迹处发牛漩涡脱落，漩涡停留在屋面背风侧逐渐增大直至其直径超过建筑物高度，然后漩涡随平均流向下运动，并呈现出具有一定频率的周期运动，图8为结构附近的压强分布云图。
图7 二维膜结构的绕流示意图
图8 二维膜结构压强分布云图
计算结果表明，强耦合方法非常有效，但是所研究为二维问题，很难反映实际结构工作状态，而且流场未考虑涡运动模型。
K. Namkoong(2005)【151开发一个可以直接求解混合统一方程的方法，研究了充满流体的腔中竖直板的振动，并利用其对称性，三维问题简化为二维问题，图9…
h^x) ■ H,(x)
- w(x)
图9垂直板分割的二维渠流
文中将板简化为梁的模型，采用Euler-Bemouli梁模型，并应用Galerkir.有限元法进行离散。考虑不可压工业建筑2007增刊707
(2.2) 缩粘件流体，并应用P2PlGal er kin 冇限元法对流体域进行离散。再引入边界条件G ，将流体的变駄（M ，v ，p) 和梁的变量（w ，沒）共同进行求解，则求解矩阵的整体的形式为： .
其中[C]代表流体和&:丨体接触面丨:的动态约朿，动态的约朿||丨以表达为：
m = 0 I v = vv 在梁的表面 （2.3)
作者首先考虑稳态层流情况下，对模型进行了计算，并和W a ng(1999)1161中ADINA 汁算结果进行了对 比分析。对于平行渠计算结果很吻合。进?步，作者对动态流冏耦合作用现象，除茁济数外，还提出了两 个无麗纲的控制参数。结果表明，当雷诺数和儿何形状确定时，平板振动的衰减随着流体动力粘度和密度 的增加而增加，并流体的附加质量随流体密度呈线性的增加，但与流体粘度无义。其算结采和 M.Gluck(200J)191三维模型弱耦合汁算结果相吻合。 ? '
Qun Zhang 和Toshiaki Hisada 1171开发出了一个用于求解三维结构得屈曲和大变形的FSI 程序。建立了 自动网格更新的任意个欧拉一拉各朗日有限元法的方程。为了克服由r 薄売结构的w 曲弓I 起的数值计算的 不稳定性，引入/强耦合求解技术来求解流体和结构，用?个二维的心脏搏动和 '个简化了的包括人变形 和流体一结构耦合作用的三维问题作为算例，来阐述文中提出的方法的有效性。
此外，美国麻省理工学院(MIT)教授Klaus-JUrgenBathe 领导开发的ADINA 软件系统，其FSI 模块具冇 强大的功能。它提供两种不同的方法，即强耦合和弱耦合来解决FSI 问题。从流体的角度看，流体模型可 以是不可压的,轻微可压的，低速和高速可压的。从结构的角度看，各种结构单元类型都可以参与FSI 过 程(2D/3D 梁、■壳单元接触面等)，支持各种材料模型、支持各种非线性物理过程如材料失效、单元生死、 结构失稳、相笨等等[18]。流体模型可以选择基于节点的FCBI.(Flow-Conditiop-Based 丨nterpolation )算法和摇 于单元的FCfiLC 算法进行羊-元的定义。Bathe 在文献[19,20]给出了FCBI 算法的基本MJ 、想，如对+ n j 'j i i 缩流 体采用Petrov-Galerkin 方法时，使用具有指数形式的加权凼数。但加权函数需根据单儿边界和屮心线的流 动情况进行计算。男川于低茁诺数时，加权函数是?般的四次幂，而考虑卨雷诺数时，加权呐数要根据流 动条件如雷诺数，Peclet 数进行修正，通过单元技术可以避免引入人工参数。在近期文献P1,22】，Haruhiko Kohno 和Bathe 分别构造了四节点（带有中心辅助节点）平曲'二角形和九节点的四边形FCBI 单元，并通过 算例表明，所构造的单元具有良好的性能，计算结果稳定性好，精度高，无论尚低宙诺数都能使用，接至 在采丨tj 粗糙网格时，也能得到押想的效采。
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工业建筑2007增刊
中国科学院流固耦合系统力学 重点实验室 Key Laboratory for Mechanics in Fluid Solid Coupling Systems Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences 季报 2019年第1期（总第17期） 目录 中科院流固耦合系统力学重点实验室现场评估工作顺利完成 (2) 中科院流固耦合系统力学重点实验室召开2019年室务会 (3) 中国航空学会空气动力学分会飞行载荷专业工作会在扬州召开 (6) 圆柱阵列波浪力幅值的波动现象和预报公式 (8) 轻质金属点阵圆柱壳结构制备与力学性能研究进展 (9) 力学所提出一种大幅提升3D打印点阵结构力学性能的新方法 (11) 雾化稠油掺稀降粘技术研究进展 (12) 南海天然气水合物试采安全评价研究进展 (14) 油气水多相流量计研究进展 (15) 空化致板间液滴界面稳定性研究获得多个奖项 (16) 空泡与柔性膜的流固耦合研究获得2019度中国力学大会优秀墙报奖. 18
中科院流固耦合系统力学重点实验室现场评估工作顺利完成 7月15日，中科院前沿科学与教育局、中科院重点实验室现场评估专家组一行14人莅临中科院力学所，对依托力学所建设的流固耦合系统力学重点实验室进行现场评估。专家组组长顾逸东院士主持了评估会议并宣布了现场评估的议程安排。力学所所长秦伟，党委书记、副所长刘桂菊，副所长魏宇杰，副所长尹明及流固耦合系统力学重点实验室学术委员会主任、实验室主任参加会议。 实验室主任黄晨光做实验室主任工作报告，围绕发展定位与研究方向、科研任务与代表性成果、队伍建设与人才培养、开放交流与运行管理等方面，向专家组汇报了评估期内的发展成果和工作成效。杨国伟研究员、王展研究员分别做“高速列车气动设计与流固耦合动力学特性研究”和“极端海洋环境及其与工程结构的流固耦合理论”代表性成果报告。专家组肯定了实验室取得的成绩以及工作亮点，并就汇报和自评估报告中的存疑事项进行了交流。 现场评估专家组还查看了高速列车动模型试验平台、海洋流固土耦合实验室、多相流体力学实验室、冲击与耦合效应实验室的科研仪器建设、大型科研仪器设备使用共享等情况，同时，参观了实验室的展板窗口。在此基础上，专家组召开会议，根据现场考核情况对实验室进行打分，并初步形成了评估意见。 经过努力，实验室顺利完成了此次中科院重点实验室现场评估工作，并在评估中充分展现了自身的优势和特色，最终取得良好的评估成绩。 在国家科技创新基地优化整合的背景下，实验室将积极适应新形势和新要求，进一步加强实验室建设和运行管理工作，全面提升科研平台建设水平和运行效率，为加快科技创新提供良好的条件支撑。 （流固耦合系统力学重点实验室供稿）
有问题可以发邮件给我一起讨论xw4996@https://www.doczj.com/doc/f613264193.html, FSI流固耦合命令求解流固耦合问题 使用ANSYS计算结构在水中的模态时, FLUID29,FLUID30单元分别用来模拟二维和三维流体部分,相应的结构模型则利用PLANE42单元和SOL ID45等单元来构造，其中，PLANE42和SOL ID45分别是用来构造二维和三维结构模型的单元。FLUID30是流体声单元,主要用于模拟流体介质及流固耦合问题。该单元有8 个节点,每个节点上有4 个自由度,分别是XYZ上3个方向位移自由度和1个压力自由度,为各向同性材料。输入材料属性时,需要输入流体的材料密度(作为DENS 输入)及流体声速(作为SONC输入),流体粘性产生的损耗效应忽略不计。FLUID29是FLUID30单元在二维上的简化，少了一个Z向的位移。SOLID45单元用于构造三维实体结构。单元通过8 个节点来定义,每个节点有 3 个沿着XYZ方向平移的自由度。PLANE42是SOLID45单元在二维上的简化。 在利用ANSYS建模分析时,流场域单元属性分为2种,由KEYOPT(2)(指定流体和结构分界面处结构是否存在) 控制,在流固耦合交界面上的单元KEYOPT(2) = 0 ,表示分界面处有结构,其他流体单元KEYOPT(2)=1,表示分界面处无结构。流体-结构分界面通过面载荷标志出来,指定FSI label可以把分界面处的结构运动和流体压力耦合起来,分界面标志在分界面处的流体单元标出。 数值分析的步骤 1) 建立流体单元的实体模型。建立流体模型,需要确定流体域的范围,可以把无限边界流体简化成流体区域的半径为固体结构半径的10倍。 2) 标记流固耦合界面。选取流体单元中流固交界面上的节点,执行FSI 命令,流固耦合交界面的处理:流体与固体是两个独立的实体,在划分单元时在两者交界面上的单元网格要划分一致,这样在交界面上的同一位置一般就有两个重合的节点,一个节点属于流体单元,一个节点属于固体单元,这两个重合节点在交界面的位移强制保持一致。 3) 建立固体结构实体模型。建立固体结构模型，定义单元属性，采用映射方式进行网格的划分。 4) 施加约束条件。由于流体区域的尺寸远大于固体结构尺寸，故可以不考虑流体液面的重力的影响，将流体边界处的单元节点上施加压力(PRES) 为零的约束。因为选择的算例为悬臂结构，在固体结构底部加全约束。 5) 选择求解算法，进行求解。定义分析类型为模态分析，设定提取频率阶数和提取模态的方法。因为耦合问题的刚度矩阵，质量矩阵都不对称，需要采用非对称矩阵法(UNSYMMETRIC)求解。 6) 查看结果。进入后处理模块，查看结构模型的频率及振型。 以半浸没与水中的桥墩模态问题为背景，并假设： 1. 桥墩为实心等截面的实体，实际桥墩模型应该是空心壳体，截面尺寸也 非常复杂，因而需要分块划分单元。
CAE联盟论坛精品讲座系列 基于MpCCI的Abaqus和Fluent流固耦合案例 主讲人：mafuyin CAE联盟论坛总监 摘要：通过MpCCI流固耦合接口程序，对某薄壁管道流动中的传热过程进行了Abaqus和Fluent相结合的流固耦合仿真分析。信息介绍了从建模、设置到求解计算和后处理的全过程，对相关研究人员具有参考意义。 1 分析模型 用三维建模软件solidworks建立了一个管径为1m的弯管，结构尺寸如图1a所示，管的结构如图1b所示，流体的模型如图1c所示。值得注意的是，由于拓扑特征的原因，这样的管壁模型无法通过对圆环扫略直接生成，而需先通过对大圆的扫略生成实心的模型(类似于流体模型)，然后进行抽壳得到管壁的模型。用同样的方法对大圆半径减去管壁厚度的圆进行扫略得到流体模型。 a. 尺寸关系 b. 管壁结构 c. 流体模型 图1. 几何模型示意图 图2. 流固耦合传热分析模型示意图 内壁面(耦合面) 速度入口 v=6m/s; T in=600K 外壁面 压力出口 P=0Pa；T out=300K
由于管壁结构和流体的热学行为不同，传热系数等都不一样，所以属于典型的流固耦合传热问题，热学模型如图2所示。即管的一端为流体速度入口，一端为压力出口，给定流体外壁面一个初始温度600K，流体入口速度为6m/s，温度为600K，出口相对大气压力为0Pa，出口温度为300K。需要求解流体和管壁的温度场分布情况。 2 流体模型 将图1c的流体模型以Step格式导入Fluent软件通常使用的前处理器Gambit中，如图3a所示。设置求解器为，然后划分体网格，网格尺寸为100mm，类型为六面体单元，一共生成4895个体单元，网格如图3b所示。 a. 导入Gambit软件中的流体模型 b. 流场的网格模型 图3. 流体模型及网格示意图 进行网格划分后，需定义边界条件，在Gambit软件中先分别定义速度入口(VELOCITY_INLET)、压力出口(PRESSURE_OUTLET)和壁面(Wall)三组边界条件，具体参数设置在Fluent软件中进行。然后定义流体属性，名称定义为air，类型为Fluid。这些定义的目的是能够在Fluent软件中识别出这些特征，具体类型和参数都可以在Fluent软件中进行设置和修改。定义完后点击【Export】，选择【Mesh】，选择路径和文件名称并进行输出。 打开Fluent6.3.26或以上的版本，选择3D求解器，点击【File】→【Read】→【Case】，然后选择Gambit中输出的msh文件，即可将网格文件读入Fluent 软件中。读入模型后，进行求解参数和条件的设置。
文章编号:1671-3559(2004)02-0123-04 收稿日期:2003-12-03 基金项目:山东省科学技术发展计划资助项目(012050107);山 东省自然科学基金资助项目(Y 2002F19) 作者简介:郭术义(1971-),男,山东济南人,山东大学机械工 程学院博士研究生。 流固耦合应用研究进展 郭术义,陈举华 (山东大学机械工程学院,山东济南250061) 摘 要:流固耦合力学是一门新兴学科。本文简要介绍了该学科的典型应用进展情况,总结了各种研究中的典型方程、数值解法,展望了进一步发展的趋势。关键词:流固耦合;数值模拟;展望中图分类号:O35112;O34717 文献标识码:A 流固耦合力学是一门比较新的力学边缘分支, 是流体力学与固体力学二者相互交叉而生成的。它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场的影响。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用:固体在流体动载荷作用下产生变形或运动,而固体的变形或运动又反过来影响到流场,从而改变流体载荷的分布和大小。总体上,流固耦合问题按耦合机理可分为两大类:一类的特征是流固耦合作用仅仅发生在流、固两相交界面上,在方程上耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的;另一类的特征是流、固两相部分或全部重叠在一起,耦合效用通过描述问题的微分方程来实现。本文就流固耦合问题的两大分类中三种基本情况进行了讨论。 1 流固耦合典型应用 流固耦合作用的研究在航空、航天、水利、建筑、石油、化工、海洋以及生物领域都有着十分重要的意义。如液体晃动对火箭飞行稳定性的影响,大型贮液管在地震激励作用下产生的流固耦合作用,液体湍振对输液管道的影响。本文就如下三个大方面进行了总结。1.1 输流管道流固耦合 流体引起输流管道振动的研究最初来源于横跨 阿拉伯输油管道振动的分析[1]。管道在众多的工业领域中应用十分广泛,作用极其重要。但是,在管道 内流体流动状态的微弱变化往往引起在工作过程中的湍振现象,诱发流体、管道之间的耦合振动,动力学行为相当复杂。这使得人们很早就开始了这方面的研究,Paidoussis M P [2]是其中最具有代表性的。输流管道的振动问题之所以能引起学者的兴趣,除因为该问题的广泛工业背景和现实意义之外,还因为输流管道虽然是最简单的流固耦合系统,但它却涉及了流固耦合的大多数问题,并且它的物理模型简单,系统比较容易实现,因而便于理论与试验的相互协同。 考虑因素侧重面的不同,输液管道非线性运动方程有几种类型[3-5],它们之间有一定的差别。它们的基本假设都是:流体无粘且不可压;管道作为梁模型来处理;管道只是在平面内振动。尽管输流管道的非线性动力问题受到50多年极为广泛的研究,但至今尚没有一个公认的模型。文[6]建立的4个独立变量(轴向位移、横向位移、流速和压力)的全耦合模型(耦合形式包含摩擦耦合、P oiss on 耦合、结合部耦合以及管道轴向和横向运动的耦合)在众多的非线性分析模型中是一个较为完整的模型。 m ¨u +m f [ υf (1+u ′)+2υf u ′+υ2 f u ″+ ωυ′f ]+ P (υf + u )/c 2F -[(1-2υ)P (1+u ′)]′+4f ρf ρ′?υ2f /DK -gm f (1-2υ)(1+u ′)ω′-EI (7ω″ω +ω′ ω )-E A p (2u ″+6u ′u ″+2ω′ω″ )/2=0(1)m ¨ω+m f [ υf (1+ω′)+2υf ω′+υ2f u ″+ω″υ2 f ]+ P (υf + ω)/c 2F -[(1-2υ)P ω′]′-gm +EI ω″″-EI (u ′ω′+6u ″ω +4u ′ω ′)-E A p (u ″ω′+u ′ω″ )=0(2) P /c 2F +m f [(1-2υ)( u +υf )u ″- u ′+υ′f ]-m f (1-2υ)( u ′+u ′ u ′+ω′ ω′ )=0(3)P ′+m f (¨u + υf )+m f ¨ωω′+gm f ω′+Df ρf υ2 f /2=0 (4)随着对输流管道问题研究的深入,各种不同的 分析计算方法也相继被提出。其中有限元法(FE M ) 第18卷第2期2004年6月 济南大学学报(自然科学版) JOURNA L OF J I NAN UNI VERSITY (Sci.&T ech 1) V ol.18 N o.2 Jun.2004
流固耦合定义：它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者相互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用,变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。变形或运动又反过来影响流，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。 (一)流固耦合动力学：求解方法与基本理论---张阿漫，戴绍仕 ●有限元法 ●边界元法 ●SPH法与谱单元法 ●瞬态载荷作用下流固耦合分析方法 ●小尺度物体的流固耦合振动 ●水下气泡与边界的耦合效应 按耦合机理分两大类： 1 耦合作用只发生在两相交界面---界面耦合（场间不相互重叠与渗透），耦合作用通过界面力（包括多相流的相间作用力等）起作用。它的计算只要满足耦合界面力平衡，界面相容就可以了（其耦合效应是通过在方程中引入两相耦合面边界条件的平衡及协调关系来实现的）。如气动弹性，水动弹性等。 按照两相间相对运动的大小及相互作用分为三类： (1)流体和固体结构之间有大的相对运动问题"最典型的例子是飞机机翼颤振和 悬索桥振荡中存在的气固相互作用问题,一般习惯称为气动弹性力学问题" (2)具有流体有限位移的短期问题"这类问题由引起位形变化的流体中的爆炸或 冲击引起"其特点是:我们极其关心的相互作用是在瞬间完成的,总位移是有限的,但 流体的压缩性是十分重要的" (3)具有流体有限位移的长期问题"如近海结构对波或地震的响应!噪声振动的 响应!充液容器的液固耦合振动!船水响应等都是这类问题的典型例子"对这类问题, 主要关心的是耦合系统对外加动力荷载的动态响应" 2 两域部分或全部重叠在一起，难以明显的分开，使描述物理现象的方程，特别是本构方程需要针对具体的物理现象来建立，其耦合效应应通过建立与不同单相介质的本构方程等微分方程来体现。 按耦合求解方法分两大类： 1 直接耦合求解：直接耦合是在一个求解器中同时求解不同物理场的所有变量，需要针对具体的物理现象来建立本构方程，其耦合效应通过描述问题的微分方程来体现。 2 间接耦合求解：而间接耦合不需要重写本构方程，仅只利用当前比较成熟的单物理场求解器求解各自相域，并实现不同的物理场之间的信息交换。 范例（一个经典的间接耦合求解范例步骤）：利用CFX 进行全三维非定常粘性数值模拟，利用ANSYS 进行结构瞬态动力分析，其耦合面数据交换以MFX-ANSYS/CFX为平台，在每个物理时间步上进行耦合迭代，各自收敛后再瞬态向前推进，结构变形引起的流场网格位移由CFX内部的动网格技术来处理，整个耦合过程充分考虑了流场的三维非定常性和结构响应的瞬态变化。https://www.doczj.com/doc/f613264193.html,/s/blog_6817db3a0100ju4s.html） 迭代求解,也就是在流场,结构上分别求解,在各个时间步之间耦合迭代,收敛后再向前推进.好
第18卷 第5期岩石力学与工程学报18(5):497～502 1999年10月Ch inese J ou rna l of R ock M echan ics and E ng ineering O ct.,1999 渗流的流固耦合问题及应用 徐曾和 (东北大学岩石破裂与失稳研究中心 沈阳 110006) 博士学位论文摘要 渗流过程中的孔隙改变,既影响流体质量,又会引起介质渗透率的变化,导致非线性流固耦合作用。因此研究应力与孔隙压力共同作用下孔隙改变的机制是重要的。首先考察了经典渗流力学的基本假定,说明忽略总应力对孔隙改变的作用是经典渗流力学及其他非耦合理论不能研究流固耦合作用的基本原因。 饱和多孔介质是不溶混的混合物,内部孔隙结构对多孔介质整体和孔隙改变的响应方程有影响。导出了多孔介质的响应方程及有效应力系数Α1、孔隙改变的响应方程和有效应力系数Α2以及孔隙压缩模量K p。证明有效应力系数Α1和Α2小于1,K p小于固体基质的相应模量。它们都取决于组成多孔介质的固体基质的力学性质和孔隙结构。还证明了对于孔隙的变形,总应力比孔隙压力更重要。任何排除总应力影响的理论,其出发点均不尽合理。 研究了流固耦合机制。在渗流过程中,介质整体变形和孔隙变化是应力和孔隙压力相互作用的结果;孔隙改变会影响两相物质之间的扩散力和流体的质量守恒方程;扩散力和孔隙压力对两相物质的动量守恒有影响。这是一些主要的耦合机制。在混合物理论的基本框架内建立了渗流耦合问题的基本方程,考虑了流体与固体之间的多种耦合作用,如线性耦合、非线性耦合、非牛顿流体渗流的耦合作用、饱和多孔介质的动力响应等;由于渗流定律是孔隙流体动量守恒方程的特殊情况,应用混合物理论可以从实验得到的非线性一维渗流定律导出非线性渗流的三维定律;从上述研究还容易看出,B i o t的三维固结理论只考虑了多孔介质整体压缩(膨胀)对流体动量守恒方程的影响,反映了流体与固体之间最简单的、线性的相互作用。 对某一边界上正应力和孔隙压力为常量的渗流耦合问题,提出了一种解耦方法,并得到了平面应变和广义平面应力状态下,含圆孔的饱和多孔地层中定量抽放和定压抽放问题的解析解。通过这些解答可以看出,对于稳定渗流,线性耦合理论(B i o t 理论)与非耦合理论没有差别;对非稳定渗流,线性耦合理论与经典渗流力学有明显的量的差别,但没有性质的变化。与弹性:若不考虑渗透率的变化,可压缩流体渗流引起的非线性相互作用以一个高阶小量体现出来,因此与近似的非耦合分析的结果相差不远。 研究了稳定渗流和非稳定渗流情况下非线性流固耦合问题的特点,并求出了含单一圆孔的问题和单向渗流问题的解答。从中可以看出,非线性耦合问题与不耦合的经典渗流力学和弹性力学,不仅在量值上有明显差别,性质也有不同;并指出,非稳定渗流需要考虑更多的因素。当渗流达到最终的稳定状态时,某些因素,如原岩应力强度对渗流的影响消失。并研究了初始应力对渗流的影响。 证明了可变形多孔介质一维稳定渗流时,小试件内的孔隙压力梯度在流动方向上是不均匀的。仍然沿用经典渗流力学的方法测试渗透系数,将导出流体质量不守恒的不合理推论。由此提出了可变形多孔介质渗透系数的新的测试方法。结合渗流的实验研究和微分方程反问题的数学方法,可得到可变形多孔介质的渗透系数。对粒状多孔介质进行的试验表明,按不同的试验方法得到的渗透系数相差较大。 关键词 渗流,多孔介质,饱和,孔隙变化,混合物,解耦方法,线性相互作用,非线性相互作用,可压缩流体,渗透系数,测试方法,反问题 FL U I D-S OL I D INTERACT I ON OF SEEPAGE AND ITS APPL I CAT I ON Xu Zenghe (Cen ter f or R ockbu rst and Ind uced S eis m icity R esea rch,N ortheastern U n iversity, S heny ang 110006 Ch ina) 1999年7月11日收到来稿。 作者徐曾和简介:男,1958年生,1998年在东北大学采矿工程专业获博士学位,导师是徐小荷教授;现在东北大学工作,主要从事岩石失稳破裂与渗流耦合问题的研究。 ? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. https://www.doczj.com/doc/f613264193.html,
Ansys14 workbench血管流固耦合实例 根据收集的一些资料，进行学习后，试着做了这个ansys14workbench的血管流固耦合模拟，感觉能够耦合上，仅是熟悉流固耦合分析过程，不一定正确，仅供参考，希望大家多讨论。谢谢！ 1、先在proe5中建立血管与血液流体区的模型（两者装配起来），或者直接在workbench中建模。 图1 模型图 2、新建工程。在workbench中toolbox中选custom system，双击FSI: FluidFlow(fluent)->static structure. 图2 计算工程 3、修改engineering data，因为系统缺省材料是钢，需要构建血管材料，如图3所示。先复制steel，而后修改密度1150kg/m3，杨氏模量4.5e8Pa，泊松比0.3，重新命名，最后在主菜单中点击“update project”保存.
图3 修改工程材料 4、模型导入，进入gemetry模块，import外部模型文件。 图4 模型导入图 5、进入FLUENT网格划分。 在workbench工程视图中的Mesh上点击右键，选择Edit…，如图5所示，进入网格划分meshing界面，如图6所示。我们这里需要去掉血管部分，只保留血液几何。
图5 进入网格划分
图6 禁用血管模型 6、设置网格方法。 默认是采用ICEM CFD进行网格划分，设置方式如图7所示，截面圆弧边分为12份，纵截面的边均分为10份，网格结果如图8所示。另外在这个界面中要设置边界的几何面，如inlet、outlet、symmetry 图7 设置网格划分方式 图8 最终出网格
流固耦合概述及应用研究进展 摘要 流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支。顾名思义，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用(fluid．solid interaction)：变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。总体上 , 流固耦合问题按耦合机理可分为两大类:一类的特征是流固耦合作用仅仅发生在流、固两相交界面上 ,在方程上耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的;另一类的特征是流、固两相部分或全部重叠在一起 ,耦合效用通过描述问题的微分方程来实现。 1 流固耦合概述 1．1引言 历史上，人们对流固耦合现象的早期认识源于飞机工程中的气动弹性问题。Wright兄弟和其它航空先驱者都曾遇到过气动弹性问题。直到1939年二战前夕，由于飞机工业的迅猛发展，大量出现的飞机气动弹性问题的需要，有一大批科学家和工程师投入这一问题的研究。从而，气动弹性力学开始发展成为一门独立的力学分支。如果将与飞机颤振密切相关的气动弹性研究作为流固耦合的第一次高潮的话，则与风激振动及化工容器密切相关的研究可作为流固耦合研究的第二次高潮。 事实上，从美国ASME应用力学部召开的历次流固耦合研讨会上可以看出，流固耦合问题涉及到很多方面。比如：空中爆炸及响应，噪声相互作用问题，气动弹性，水弹性问题，充液结构内的爆炸分析，管道中的水锤效应，充液容器的晃动及毛细流中血细胞的变形，沉浸结构的瞬态运动，流固相互冲击，板的颤振及流体引起的振动，圆柱由于热交换引起支持附件松动的非线性流固耦合系统，声音与结构的相互作用，涡流与结构的相互作用，机械工程中的机械气动弹性问题等等。 1.2流固耦合力学定义和特点 流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的--I'l力学分支。顾名思义，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用（fluid-solid interaction)．变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。流固耦合问题可由其耦合方程来定义，这组方程的定义域同时有流体域与固体域，而未知变量含有描述流体现象的变量及描述固体现象的变量，一般而言，具有以下两点特征： a)流体域或固体域均不可能单独地求解； b)无法显式地消去描述流体运动的独立变量或描述固体运动的独立变量。 1．3流固耦合力学涉及领域及分类 流固耦合问题涉及到很多方面。比如：工程实际中所涉及到的流固耦合问题，
基于 LS-DYNA 及 FLUENT 的板壳结构流-固耦合分析
汪丽军 北京航空航天大学，交通科学与工程学院 100191
[摘 要]： 本文采用 ANSYS 显示动力分析模块 LS-DYNA 及流场分析模块 FLUENT，对水下的板壳 结构运动及其界面的流-固耦合现象进行了仿真分析。流场计算得到的界面压强数据以外载荷 的形式施加于结构表面，使其产生位移及变形；同时，结构的变化又进一步影响了流场的分 布。通过往复的双向耦合迭代，得到了板壳结构的动力学响应以及流场的分布情况。仿真结 果与试验结果的对比表明，此方法适用于解决兼有大位移及较大变形特征的流-固耦合问题。 [关键词]： 板壳结构 流-固耦合 有限元方法 ANSYS
Analysis of Fluid-Structure Interaction for Plate/Shell Structure Based on LS-DYNA and FLUENT
Wang Lijun School of Transportation Science & Engineering, Beihang University 100191
Abstract: In this paper，the movement of plate under water and the fluid-structure interaction(FSI) is simulated numerically by combining explicit dynamic solver LS-DYNA and computational fluid dynamics solver FLUENT in ANSYS. The pressure obtained from the calculation of flow field are applied as external loads on the surface of the plate, then the structural deformation and displacement can be calculated as well, which will affect the shape and pressure distribution of the flow field reversely. After sequential coupling iterations the dynamic response of the structure and flow field distribution are obtained consequently. By comparing numerical and experimental results it is proved that this proposed coupling method is suitable for solving such a kind of FSI problems considering both large displacement and comparatively large deformation. Keyword: Plate/shell structure, Fluid-Structure Interaction, Finite element method，ANSYS
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前言
在自然界中，流-固耦合现象广泛存在于航空、航天、汽车、水利、石油、化工、海洋 以及生物等领域。很多实际问题中流体载荷对于结构的影响不可忽略；同时，结构的位移 和变形也会对流场的分布产生重要影响。例如各种水下运动机构都需要考虑这种现象。
小论文拟采用DP模型，在应力较高的土体中，比Mohr-coulomb理想弹塑性模型的数值计算结果更精确。设定DP模型需要输入3个特殊参数，粘聚力，内摩擦角，膨胀角，其中的膨胀角是用来控制体积膨胀的大小的。在岩土工程中，一般密实的砂土和超强固结土在发生剪切的时候会出现体积膨胀，因为颗粒重新排列了；而一般的砂土或者正常固结的土体，只会发生剪缩。在使用DP模型的时候，对于一般的土，膨胀角设置为0度比较符合实际。渗流耦合分析拟采用的边界条件是全地基边界，即把要分析的模型所有的区域看成是一个封闭的整体。在计算渗流应力耦合分析时，考虑基坑空间效应，建立三维实体模型，不仅考虑施工降水耦合，也考虑施工间歇变形耦合。最终通过支护结构桩和锚杆的变形以及基坑的变形，得出以下两条结论：（1）采用渗流应力耦合理论计算的基坑工程变形形态符合实际情况，随着基坑开挖深度增加，基坑变形规律也符合实际情况。（2）渗流应力耦合情况下基坑变形与不考虑渗流耦合影响下基坑变形曲线相比，数值较大，可见，分析基坑变形时不考虑渗流耦合影响是偏不安全的，耦合分析对基坑变形的影响不能忽视。 1、基于渗流场-应力场耦合作用下的深基坑降水支护结构的位移研究工程勘察2012 本文采用大型通用岩土工程有限元软件PLAXIS对复合土钉支护进行分析,模型采用平面应变模型,土体采用Mohr-coulomb理想弹塑性模型且具有对称性，故取一半对其分析，模型底部为固定约束，侧面只限制水平位移，上表面为自由边界。 本工程的数值模拟主要为比较在有降水作用下和未考虑地下水两种情况下的支护结构体系的位移，为此，首先进行了在未考虑地下水条件下的模拟，即不考虑孔隙水压，地下水位线默认为基坑底部。其次依据实际工程的地下水位线-7.24m，进行了数值模拟，以便找到降水作用对支护结构体系位移的影响。 2、考虑流-固耦合效应的基坑水土压力计算工程勘察2011 针对地下水绕过围护墙渗流情况，分析了传统的水土压力分算、合算及考虑土体渗流-固结变形方法计算土压力的区别，并利用实测数据进行对比。 流过耦合分析，PLAXIS程序采用水土分算的方法，通过输入地下水水头执行地下水渗流程序进行计算，利用单元应力点上的压力水头求得孔隙水压力，将围护墙与土体接触界面上的有效压力与孔隙水压力值相加，得到基坑围护墙上总的水土压力分布。 3、考虑流固耦合作用的深基坑有限元分析地下空间与工程学报2012 利用FLAC流固耦合模型对复杂地质条件下深基坑降水开挖过程中深基坑的时间效应进行研究。建立考虑参数变化的弹塑性流固耦合数值模型，分析基坑开挖及降水作用下地表沉降、水压力、基底隆起随时间变化的规律。平面应变模型，土体采用修正的剑桥模型模拟，只是在理论上提出考虑基坑开挖过程中渗透系数随孔隙比变化的现象，未应用在模型模拟中。 4、考虑渗流-应力耦合基坑开挖降水数值分析广东工业大学学报2013 本文运用通用软件MIDAS/GTS考虑渗流应力耦合作用下模拟基坑开挖降水的详细过程，分析了不同阶段渗流情况,同时探讨了止水帷幕、渗透系数与不同降水深度对基坑支护特性的影响，以期为基坑降水和支护结构优化提供理论参考。采用的摩尔库伦土体模型，基坑较小，应力水平较低，平面应变模型，未考虑基坑的空间效应。 5、深基坑工程降水与地面沉降耦合数值模拟研究中国市政工程2012 采用基坑降水与地面沉降耦合模型分析，四周边界取为定水头边界，其中，求解地下水问题简化为求解地下水在多孔介质中流动的问题，建立相适应的地下水三维非稳定渗流数学模型为 地面沉降模型为 方程的求解条件为： 利用建立的三维渗流沉降模型预测抽水减压期间对水位降深和区域沉降影响。计算结果
流固耦合问题研究进展及展望 摘要：天然岩体大多数为多相不连续介质，岩体内充满着诸如节理、裂隙、断层、接触带、剪切带等各种各样的不连续面，为地下水提供了储存和运动的场所。地下水的渗流以渗透应力作用于岩体，影响岩体中应力场的分布；同时岩体应力场的改变使裂隙产生变形，从而影响了裂隙的渗透性能，因此，流固耦合问题研究主要考虑流体在固体中的变化规律，尤其是流体渗流与和岩体应力之间的耦合作用,通过对国内外相关文献的分析与整理，从流固耦合的研究现状、特点、研究方法及展望这四个方面进行了论述。 关键词：流固耦合；岩体；地下水；研究方法；渗流 中图分类号：X523文献标识码：A 文章编号： 天然岩石不只是单一固相介质，尚有固相、液相和气相并存的多孔介质组合，岩石经历了漫长的成岩和改造历史，其内部富含各种缺陷，包括微裂纹、孔隙以及节理裂隙等宏观非连续面，它们的存在为地下水提供了储存和运动的场所。地下水的渗流还以渗透应力作用于岩体，影响岩体中应力场的分布，同时岩体应力场的改变往往使裂隙产生变形，影响裂隙的渗透性能，所以渗流场随着裂隙渗透性的变化重新分布，因此，在许多情况下必须考虑流体,包括液体(油或水)、气体(天然气、煤矿瓦斯等)在多孔介质中的流动规律及其对岩体本身的变形或强度造成的影响，即应考虑岩体内应力场与渗流场之间的相互耦合作用。 近年来，流固耦合问题越来越受到人们的重视，这方面的研究涉及许多领域，在采矿领域，涉及地热开发，石油开采中的流固耦合渗流，采矿围岩突水问题等。在建筑工程领域，包括地下水抽取引起的地面沉降问题，基坑渗流引起变形问题，坝基渗流及稳定性问题，隧道建设等。在环境工程领域涉及地下核废料存储，城市垃圾废弃物处理等以及生物医学工程等领域，这一问题的研究对促进科技进步和解决实际工程技术问题有着重要意义。 1 国内外研究现状 关于岩体和流体相互作用研究最早见诸K.Terzaghi对有关地面沉降研究，其内容主要限于考虑一维弹性孔隙介质中饱和流体流动时的固结，提出了著名的有效应力公式，迄今该公式仍是研究岩体和流体相互作用的基础公式之一。二十世纪中期Biot(1941,1956)进一步研究了三向变形材料与孔隙压力的相互作用，并在一些假设，如材料为各向同性、线弹性小变形，孔隙流体是不可压缩的且充满固体骨架的孔隙空间，而流体通过孔隙骨架的流动满足达西定律的基础上，建立了比较完善的三维固结理论。在此基础上，进一步发展了多相饱和渗流与孔隙介质耦合作用的理论模型，并在连续介质力学的系统框架内建立了多相流体运移和变形空隙介质耦合问题的理论模型。 Lous等（1974）运用单裂隙试件进行单向水流的室内模型，综合研究了天
第五章 轴流泵的流固耦合 5-1 流固耦合概论 流固耦合问题一般分为两类，一类是流‐固单向耦合，一类是流‐固双向耦合。单向耦合 应用于流场对固体作用后，固体变形不大，即流场的边界形貌改变很小，不影响流场分布的， 可以使用流固单向耦合。先计算出流场分布，然后将其中的关键参数作为载荷加载到固体结 构上。典型应用比如小型飞机按刚性体设计的机翼，机翼有明显的应力受载，但是形变很小， 对绕流不产生影响。当固体结构变形比较大，导致流场的边界形貌发生改变后，流场分布会 有明显变化时，单向耦合显然是不合适的，因此需要考虑固体变形对流场的影响，即双向耦 合。比如大型客机的机翼，上下跳动量可以达到5 米，以及一切机翼的气动弹性问题，都是 因为两者相互影响产生的。因此在解决这类问题时，需要进行流固双向耦合计算。下面简单 介绍其理论基础。 连续流体介质运动是由经典力学和动力学控制的，在固定产考坐标系下，它们可以被表 达为质量、动量守恒形式: ()0v t ρρ?+??=? (1) ()B v vv f t ρρτ?+??-=? (2) 式中，ρ为流体密度；v 为速度向量；B f 流体介质的体力向量；τ为应力张量；在旋 转的参考坐标系下，控制方程变为： ()0r v v t ρρ?+??=? （3） (-)+B r r c v v v f f t ρρτ?+??=? （4） 形式和固定坐标系下基本相同，只是速度变成了相对速度，另外就是增加了附加力项 c f 。 固体有限元动力控制方程为： []{}[]{}{}...[]{}M u C u K u F ++= （5） 式中，[]M ，[]C ，[]K 分别是质量矩阵，阻尼矩阵以及刚度矩阵，{}F 为载荷矩阵。 流固耦合遵循最基本的守恒原则，所以在流固耦合交界面处，应满足流体与固体应力、 位移、热流量、温度等变量的相等或守恒，即满足如下四方程： f f s s n n ττ?=? (6) f s d d = (7) f s q q = (8) f s T T = (9) 5-2 单向流固耦合
一般说来，ANSYS的流固耦合主要有4种方式： 1，sequential 这需要用户进行APDL编程进行流固耦合 sequentia指的是顺序耦合 以采用MpCCI为例,你可以利用ANSYS和一个第三方CFD产品执行流固耦合分析。在这个方法中，基于网格的平行代码耦合界面(MpCCI) 将ANSYS和CFD程序耦合起来。即使网格上存在差别，MpCCI也能够实现流固界面的数据转换。ANSYS CD中包含有MpCCI库和一个相关实例。关于该方法的详细信息，参见ANSYS Coupled-Field Analysis Guide中的Sequential Couplin 2，FSI solver 流固耦合的设置过程非常简单，推荐你使用这种方式 3，multi-field solver 这是FSI solver的扩展，你可以使用它实现流体，结构，热，电磁等的耦合 4，直接采用特殊的单元进行直接耦合，耦合计算直接发生在单元刚度矩阵 一个流固耦合的例子 length=2 width=3 height=2 /prep7 et,1,63 et,2,30 !选用FLUID30单元，用于流固耦合问题 r,1,0.01 mp,ex,1,2e11 mp,nuxy,1,0.3 mp,dens,1,7800 mp,dens,2,1000 !定义Acoustics材料来描述流体材料-水 mp,sonc,2,1400 mp,mu,0, ! block,,length,,width,,height esize,0.5 mshkey,1 ! type,1 mat,1 real,1 asel,u,loc,y,width amesh,all alls ! type,2 mat,2 vmesh,all
流固耦合分析相关关键字单元算法定义 *SECTION_SOLID *SECTION_SOLID_ALE *INITIAL_VOID_OPTIONS 多物质单元定义 *ALE_MUL TI_MA TERIAL_GROUP 多物质材料ALE网格控制 *ALE_REFERENCE_SYSTEM_CURVE *ALE_REFERENCE_SYSTEM_GROUP *ALE_REFERENCE_SYSTEM_NODE *ALE_REFERENCE_SYSTEM_SWITCH 流固耦合定义 *CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID ALE算法控制 *CONTROL_ALE *ALE_SMOOTHING 材料本构及状态方程定义 *MA T_NULL(空气、水等材料) *MA T_V ACUUM *MA T_OPTION(结构材料) *EOS_OPTION（流体、结构材料的状态方程）
爆炸分析相关关键字 材料模型 *MA T_HIGH_EXPLOSIVE_BURN（炸药材料） *MA T_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO（推进剂） *MA T_NULL（空气、水等材料） *MA T_OPTION（结构材料） 状态方程 *EOS_JWL（各种炸药） *EOS_IGNITION_AND_GROWTH_OF_REACTION_IN_HE（推进剂燃烧） *EOS_JWLB（各种炸药） *EOS_SACK_TUESDA Y（炸药材料） *EOS_OPTION（结构材料的状态方程） *EOS_LINEAR_POL YNOMIAL（空气） *EOS_GRUNEISEN（水、油等） 接触类型（Lagrange方法） *CONTACT_2D_AUTOMA TIC_SURFACE_TO_SURFACE *CONTACT_2D_SLIDING_ONL Y *CONTACT_SLIDING_ONL Y_OPTIONS *CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE *CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE 起爆方式（单点、多点、线起爆）
第37卷 第6期2008年12月 船海工程SH IP &OCEA N ENG IN EERI NG V ol.37 N o.6 Dec.2008 交贯线附近区域首先开始达到极限载荷,从而引起支撑大面积失效。 2)支、主管直径比B 和主管径厚比C 是影响节点受力性能的主要因素。节点的强度和刚度随着支主管直径比B 的增大而增加,随着主管径厚比C 的增大而降低。当B >0.7,10
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