ADINA流固耦合建模方法

ADINA流固耦合建模方法ADINA流固耦合建模方法是一种综合考虑流体和固体相互作用的建模方法。

它结合了计算流体力学（CFD）和有限元力学（FEM），能够模拟和分析各种流体与固体相互作用的现象，如流体对结构的冲击、振动和与固体结构的热传导等。

1.定义流体区域：首先，需要在模型中定义流体的几何形状和流体域。

可以使用ADINA提供的几何建模工具或者导入已有的CAD文件来创建流体区域。

2.定义流体边界条件：在流体区域中定义流体的边界条件，如流体的入口速度、出口压力、壁面摩擦等。

可以通过给定边界条件来模拟各种流体流动情况。

3.网格划分：将流体区域划分为离散的网格单元，以便进行数值计算。

ADINA提供了自动划分网格的工具，也可以手动调整网格单元的大小和形状。

4.定义固体区域：在流体区域中定义固体的几何形状和固体域。

可以使用ADINA提供的几何建模工具或者导入已有的CAD文件来创建固体区域。

5.定义固体的边界条件：在固体区域中定义固体的边界条件，如固体的材料属性、固体的初始应力等。

根据具体问题，可以指定不同的边界条件。

6.载荷施加：在固体区域中施加外部载荷，如重力载荷、声压载荷等。

这些载荷将影响固体结构和流体流动的耦合过程。

7.运行求解器：通过ADINA的求解器对流固耦合建模进行求解。

求解器将同时考虑流体流动和固体结构的相互作用，求解固体受力平衡、流体流动动量方程等。

8.分析结果：根据求解结果，可以分析固体结构的变形、应力分布，以及流体流动的速度、压力等。

ADINA提供了丰富的结果分析工具，如绘制流线、应力云图等。

ADINA流固耦合建模方法能够模拟和分析多种流固耦合问题，如流体力学冲击载荷下的结构响应、流体流动对结构振动的影响、流体流动中的温度变化等。

它在航空航天、汽车工程、水利工程等领域具有广泛的应用。

通过ADINA流固耦合建模方法，可以提前发现和解决流固耦合问题，优化设计方案，提高产品的可靠性和性能。

流-固耦合的数学模型
流固耦合是指流体和固体之间相互作用的现象，它涉及了流体
动力学和固体力学两个领域。

建立流固耦合的数学模型可以帮助我
们更好地理解和预测这种复杂的相互作用。

在数学上，建立流固耦合的模型可以采用多种方法。

首先，我
们可以使用偏微分方程描述流体的运动，如Navier-Stokes方程，
同时使用弹性力学方程描述固体的变形。

然后，通过适当的边界条
件和相互作用条件，将这两个方程耦合在一起。

这种耦合可以通过
将流体和固体的速度、压力、位移等物理量在流固界面上进行匹配
来实现。

另一种建立流固耦合模型的方法是使用有限元法或有限体积法。

这些方法可以将流体和固体的运动方程离散化，然后通过相互作用
界面将它们耦合在一起。

这种方法在工程实践中得到了广泛的应用，因为它可以处理复杂的流固耦合问题，并且可以考虑到材料的非线性、大变形和接触等现象。

除了数值模拟方法，还有一些解析方法可以用于建立流固耦合
的数学模型，如边界元法和格林函数法。

这些方法在特定情况下可
以给出精确的解，但通常适用于简单的流固耦合问题。

总之，建立流固耦合的数学模型涉及到流体力学和固体力学的基本方程，以及适当的边界条件和相互作用条件。

通过合理地耦合这些方程和条件，我们可以得到描述流固耦合行为的数学模型，从而更好地理解和预测流体和固体之间复杂的相互作用。

流体力学中的多尺度流固耦合模拟与建模流体力学是研究流体运动规律的学科，而多尺度流固耦合模拟与建模是在流体力学中应用的一种方法。

它可以分析和预测不同尺度下流体与固体的相互作用以及其对整个系统行为的影响。

本文将介绍多尺度流固耦合模拟与建模的基本概念、应用范围以及相关研究进展。

一、基本概念多尺度流固耦合模拟与建模是指将不同尺度的物理过程和现象统一起来，通过数值模拟和数学建模的方法进行分析。

在流体力学中，多尺度流固耦合模拟与建模主要关注流体与固体的相互作用，通过考虑流体流动和固体结构之间的相互关系，研究其共同影响下的流体力学行为。

二、应用范围多尺度流固耦合模拟与建模在许多领域都有广泛的应用。

在航空航天工程中，多尺度模拟可以用于研究飞机在不同高度和速度下的气动特性，优化机翼设计以提高飞行性能。

在生物医学工程领域，多尺度模拟可以用于研究血液在微血管中的流动行为，评估药物的输送效果，以及研发人工心脏等器官。

三、研究进展近年来，多尺度流固耦合模拟与建模技术得到了长足的发展。

一方面，随着计算机处理能力的不断提高，模拟模型可以涵盖更大的尺度范围，更加精确地描述流体和固体的行为。

另一方面，研究人员提出了许多创新的算法和数学模型，用于解决多尺度流固耦合问题。

在数值模拟方面，一种常用的方法是将整个模拟过程分为多个尺度的子问题，并使用不同的算法和模型进行求解。

例如，在微观尺度上，可以使用分子动力学方法模拟流体和固体颗粒之间的相互作用；而在宏观尺度上，可以使用有限元法或者有限体积法模拟流体和固体的整体行为。

在数学建模方面，研究人员致力于发展能够准确描述不同尺度物理过程的方程和模型。

例如，针对微观尺度的问题，人们引入了基于粒子的模型，如格子玻尔兹曼方法，用于模拟流体的微观行为；而对于宏观尺度的问题，可以使用流体连续介质力学方程，如纳维-斯托克斯方程，描述流体的宏观流动行为。

总结起来，多尺度流固耦合模拟与建模在流体力学领域具有重要的应用前景。

实例3 隧道内具有柔性结构的流固耦合分析问题：隧道内具有柔性结构的流固耦合如图3-1所示。

图3-1 流体-固体结构示意图一、目的1. 掌握流固耦合作用FSI在Adina-AUI中的操作过程。

2. 掌握用伸缩比例因子画流固耦合模型。

3. 定义引导点(leader-follower points)。

二、定义模型主控数据1. 定义标题：选Control→Heading→敲入标题“exe03: Fluid flow over a flexible structure in a channel, ADINA input”→and click OK。

2. FSI分析：在右边Analysis Type区选FSI按钮。

3. 主控自由度选Control→Degrees of Freedom→不选X-Translation, X-Rotation, Y-Rotation andZ-Rotation按钮→and click OK。

4. 分析假设：大位移，小应变。

选Control→Analysis Assumptions→Kinematics→设置“Displacements/Rotations”为Large→ click OK。

(注：非常薄的结构，因此为小应变)。

三、力学模型1. 柔性结构建立模型1). 柔性结构几何模型坐标点如表3-1，几何结构如图3-2所示。

其几何面见表3-2所示。

①选Define Points 图标→按表3-1输入几何点坐标→ click OK .②选Define Surfaces 图标→设置TYPE 为Vertex → click OK(如图3-2所示)。

2). 施加固定边界条件和流-固边界条件①.图3-2中，在L2线上施加固定约束，其过程可用Adina-AUI 完成。

②. 流-固边界，选Model →Boundary Conditions →FSIBoundary →add FSI boundary number 1→在表中头两行敲入流固边界线编号1和 3 and click OK 。

基于adina热-流-固耦合建模过程热-流-固耦合作用是存在高度非线性的复杂耦合作用。

有关这三场的耦合作用研究在地石油工程、热资源开发、地下核废料存储安全、采矿工程等很多领域有着非常重要的应用价值。

由于研究对象的不同，热流固耦合模型的形式存在差异，建立符合实际问题的三场耦合模型十分困难，文中在国内外学者对三场耦合模型理论研究的进展状况的基础上，通过一个例子，介绍了用adina建立模型的过程。

1三场耦合理论模式介绍在三场耦合尤其是三场耦合机制的研究过程中，人们根据各自对三场耦合的认识提出了不同的三场耦合作用模式。

1995年前有关三场耦合作用模式的研究在场与场之间的联系关系上主要是以速度等变量为桥梁，如HART、Jing提出的作用模式，其中Jing主要描述的核储存库三场耦合模式，后来作用模式发展为主体为物理现象，它们之间的相互联系是以场作用或物理作用为桥梁的，如Guvanasen、柴军瑞的作用模式，前者同样以核废料储库库围岩三场耦合作用研究为主，后者为一般模式。

Jing等描述了核废料贮库围岩裂隙岩体中的热-液-力耦合过程，如图1所示。

H art等提出了如图2所示的三场耦合作用模式。

柴军瑞从岩体渗流-应力-温度三者两两之间的相互关系出发，建立了如图3的作用模式。

图中：口渗透水流对岩体固相的力学作用，一般应用有效应力原理来反映;a’为应力引起裂隙岩体空隙率和渗透特性变化，目前有经验关系式(如Lours负指数关系式)和理论关系式(包括各种概化情况下和各种概化模型下的理论关系式)两大类表示方法;b为温度引起热应变(力)及与温度有关的岩体固相力学特性变化;b’为岩体固相力学变形引起热力学特性变化及岩体固相内部热耗散;c为水流的热对流及与岩体固相的热交换;c’为温度势梯度引起水份运动及与温度有关的水特性变化。

图1裂隙岩体中的热液力耦合过程(据Jing等。

1995年)图2三场耦合模式(Hart)图3渗流-应力-温度之间的相互关系图2热流固耦合理论的提出三场耦合理论是由流-固两场耦合理论发展而来的，在流-固耦合理论中，有的假设温度场是恒定的，或者是不考虑温度场的变化与流体流动、岩石变形间的耦合作用。

第一部分 ADINA多场耦合求解功能介绍在很多实际工程问题中，我们需要知道的是流固耦合力学系统的整体响应特性，而不是单纯流体或者固体的响应特性，尽管系统响应特性与后者都具有相关性。

相对单一物理场求解，流固耦合面对一个更为复杂的计算体系，不仅需要求解固体问题和流体问题，还要求解固体和流体的相互作用，甚至热量在流体、固体之间进行传递的三场耦合。

ADINA-FSI 是全球领先的流固耦合求解器。

由于ADINA的结构求解器（ADINA-Sturctures）和流体求解器（ADINA-CFD）都是在同一内核基础上开发的，ADINA-FSI很容易将ADINA-Sturctures 和ADINA-CFD的功能完全地融合在一起，实现流体－固体耦合的高级分析。

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，固体的变形或运动又反过来影响流体，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定义，这组方程的定义域同时有流体域和固体域。

而未知变量含有描述流体现象的变量和含有描述固体现象的变量，一般而言具有以下两点特征：1）流体域与固体域均不可单独求解；2）无法显式地削去描述流体运动的独立变量及描述固体变形的独立变量一般的，我们概括ADINA流固耦合的特点如下：∙FCBI及FCBI-C单元提供了最大的稳定性，且适用于从低雷诺数到高雷诺数的各种问题。

∙ FSI分析可以用于各种流体，包括不可压流、轻微可压流、低速可压流和高速可压流。

另外，所有的流体材料模型包括非牛顿流体，湍流模型、相变模型和VOF法都可以用在FSI分析中。

∙ ADINA允许流体模型和结构模型使用任意的网格。

而且，流体和结构的网格在流固耦合界面上不必完全匹配。

∙热和多孔介质的耦合可以用在流体和结构模型之间。

∙所有的结构单元类型、接触算法和结构材料模型（如弹性、粘弹性、超弹、塑性、徐变或蠕变、复合材料、记忆合金、垫片材料等）都可以用于FSI求解。