(完整版)流固耦合教学

流固耦合过程_教程流固耦合是指流体与固体相互作用产生的物理过程。

在这种过程中，流体对固体施加的力会导致固体变形，而固体的变形又会对流体流动产生影响。

首先，我们来了解一些基本概念。

在流固耦合中，流体可以是液体或气体，固体可以是土壤、岩石、建筑物等。

流体与固体之间的相互作用可以通过几个参数来描述，包括流体的压力、速度、密度以及固体的应力、变形等。

这些参数之间的相互作用可以通过基本物理定律来描述，如连续性方程、动量守恒方程、弹性方程等。

在流固耦合过程模拟中，有两种常用的方法：一种是基于有限元方法的数值模拟，另一种是基于解析解的解析模拟。

有限元方法是一种利用计算机对物体进行离散化处理的方法，将物体分割成许多小元素，并通过求解这些小元素上的方程来获得模拟结果。

解析模拟则是基于已知的解析解进行计算，通常适用于简单的流固耦合问题。

在进行流固耦合过程的数值模拟时，需要先建立数学模型。

例如，在处理地下水流动与土壤变形耦合问题时，可以使用Darcy定律描述地下水的渗流行为，再结合土壤的弹性方程来描述土壤的变形。

然后，通过数值方法对这些方程进行离散化处理，并采用迭代求解的方式求解模拟结果。

在模拟过程中，还需要考虑流体与固体之间的边界条件。

例如，在考虑建筑物受风力作用时，建筑物表面的压力分布可以作为边界条件输入模型中，以模拟风力对建筑物的影响。

此外，还需要注意模型的几何形状、材料特性等参数的选择，这些参数将直接影响到模拟结果的准确性。

在模拟结果的分析中，可以通过观察固体变形、流体速度分布等来判断流固耦合过程的行为。

此外，还可以通过改变模型参数、边界条件等来进行敏感性分析，以评估这些参数对模拟结果的影响。

总结起来，流固耦合过程是一个复杂的物理现象，涉及到流体和固体的相互作用。

通过建立数学模型和采用数值模拟方法，可以对这种过程进行模拟和分析。

通过理解流固耦合过程的基本概念和模拟方法，我们可以更好地理解和应用于实际问题中。

流固耦合流程流固耦合是指流体与固体之间相互作用、相互影响的一种现象。

在工程领域中，流固耦合分析已成为设计和优化产品性能的重要工具。

本文将以流固耦合为主题，介绍流固耦合分析的流程和应用。

第一部分：引言流固耦合在众多工程领域中发挥着重要作用，比如航空航天、汽车工程、海洋工程等。

流体与固体的相互作用不仅会对产品的性能产生影响，还可能引起破坏性的振动和噪声。

因此，进行流固耦合分析来评估和改进产品性能至关重要。

第二部分：流固耦合的基本原理在进行流固耦合分析之前，我们需要了解流固耦合的基本原理。

流体与固体之间的相互作用主要包括压力和速度对固体的作用，固体形状对流体流动的影响，以及固体振动对流场的影响等。

这些相互作用可以通过数值模拟方法进行分析和预测。

第三部分：流固耦合分析的流程1. 前处理：在进行流固耦合分析之前，首先需要进行前处理工作。

前处理包括几何建模、网格划分、材料属性定义等。

准确的前处理是进行流固耦合分析的基础。

2. 流场计算：在进行流固耦合分析时，首先需要计算流体场的流动状态。

根据问题的具体需求，可以选择合适的数值求解方法，如有限元法、有限差分法、有限体积法等。

通过求解流体方程，得到流场参数，如速度、压力等。

3. 固体分析：在流场计算完成后，需要进行固体的应力和变形分析。

通过求解固体的力学方程，得到固体的应力和变形情况。

这些结果对于评估产品的结构强度和稳定性至关重要。

4. 边界条件耦合：在流固耦合分析中，流场和固体分析需要进行边界条件的耦合。

这意味着固体的边界条件受到流场的影响，而流体的边界条件又受到固体的影响。

通过迭代求解流场和固体方程，得到耦合后的边界条件。

5. 后处理：在流固耦合分析完成后，需要进行后处理工作。

后处理包括结果的可视化、数据的提取和分析等。

通过后处理，可以直观地了解产品的性能和响应。

第四部分：流固耦合分析的应用流固耦合分析在多个工程领域中都有广泛的应用。

以航空航天工程为例，利用流固耦合分析可以评估飞机的气动性能、翼面的变形情况以及机翼的气动弹性特性。

流固耦合分析（FSI）流固耦合分析（FSI）是涉及流体和固体之间相互作用的问题研究，其理论包括了几个主要方面：流体力学、固体力学、耦合边界条件、求解器等。

以下是流固耦合分析的详细理论讲解，带有相关公式和尽量详细的说明。

一、流体力学1. 守恒定律质量守恒定律：$$ \frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \mathbf{u}) = 0 $$动量守恒定律：$$ \rho \frac{\partial \mathbf{u}}{\partial t} + \rho (\mathbf{u} \cdot \nabla) \mathbf{u} = \nabla \cdot \tau + \mathbf{f} $$其中，$\rho$是流体密度，$\mathbf{u}$是流体速度，$\tau$是应力张量，$\mathbf{f}$是体力。

2. 纳维-斯托克斯方程$$ \rho \frac{\partial \mathbf{u}}{\partial t} + \rho (\mathbf{u} \cdot \nabla) \mathbf{u} = \nabla \cdot (-p\mathbf{I} + \tau) + \mathbf{f} $$其中，$p$是静压力，$\mathbf{I}$是单位张量。

3. 边界条件（1）速度边界条件：$\mathbf{u} = \mathbf{u}_b$，其中$\mathbf{u}_b$是边界上的速度。

（2）压力边界条件：$p = p_b$，其中$p_b$是边界上的压力。

4. 流体力学求解器常用的流体力学求解器有OpenFOAM、ANSYS Fluent等。

二、固体力学1. 力学基本方程$$ \tau = \sigma\cdot \mathbf{n} $$其中，$\tau$是表面上的接触力，$\sigma$是固体的应力张量，$\mathbf{n}$是表面的单位法向量。

流固耦合过程_教程
一、流体固耦合过程
流体固耦合过程指的是通过流体与固体材料的耦合，从而解决固体力学、热力学、电磁学等问题，从而改善系统性能的一种计算方法。

这种方
法是由一组不同类型的有限元控制方法组成的，可以用来描述流体流动的
流动领域，并以一组相应的弹性、热力学和电磁场域来描述固体的变形和
力学性能。

当然，最重要的是，这种方法还能够充分考虑流体与固体间的
耦合作用，从而决定系统性能。

1.有限元技术
有限元技术是流体固耦合方法的核心，它是分析复杂系统的重要技术，主要应用于建模、仿真和优化设计等领域。

具体来说，有限元技术是指将
一个复杂力学系统分割成几个若千个力学单元，分析每个单元内的变形状态，从而确定系统的总体变形状态。

有限元技术一方面可以有效描述一个
力学系统的总体变形状态，另一方面也可以计算出具体力学单元内的变形
状态。

2.耦合分析
耦合分析是流体固耦合方法中的重要组成部分，主要是指将流体和固
体的分析结果进行耦合，以表示流体与固体间的耦合关系，包括流体和固
体静力学、热力学和电磁学等方面的耦合关系。

耦合分析可以有效地模拟
流体与固体间的耦合关系，从而改善系统的性能。

湖南大学先进动力流固耦合过程（仅耦合热边界）准备软件：¾AVL-FIRE¾Hypermesh（用于划分和处理网格）¾ABAQUS（熟悉inp文件结构和语句）¾MSC-Patran湖南大学先进动力以AVL-FIRE安装目录下面简单例子为例，位于以下目录：D（安装盘符）:\AVL\FIRE\v（版本号）\exam湖南大学先进动力第一步：CFD计算所有设置与例子中保持一致湖南大学先进动力第一步计算CFD的时候，不需要选上Mesh FEM format，只需指定输出Frequency即可。

湖南大学先进动力第一步计算完之后会产生一个htcc 文件，如下图：湖南大学先进动力第二步：耦合面网格及固体网格获取为了便于统一坐标位置和热边界插值，不用例子中的FEM 网格。

FEM 网格将从CFD 网格（cyl.flm ）中“抽取”，如下图，在Fire 中导出.nas 格式文件。

湖南大学先进动力在hypermesh中TOOl>faces 板块中把流体网格的外表面抽取，然后删除两端面的面网格选择全部网格（displayed）即可湖南大学先进动力通过3D>elem offset 来获得实体网格湖南大学先进动力第三步：映射（mapping ）热边界条件上一步得到的面网格导出为.nas 文件（如sur_mesh_for_mapping.nas ）FIRE 中FEM Interface中设置如下两图湖南大学先进动力保存之后，Start ，next 直到如图所示界面，输入-fem –mode=mapping湖南大学先进动力第四步：查看热边界结果（这一步不是必需的，为了Mapping之后会产生一个包含热边界的inp文件，用于后续的固体温度场计算。

湖南大学先进动力映射距离与用例子比较（用三角形面单元）湖南大学先进动力第五步：在MSC-Patran 中做MPC注意：这里的面网格节点号和单元号要与前面用来mapping 的面网格对应上，可以在patran 或者hypermesh 中通过renumber 来实现，固体网格最好也把节点号和单元号renumber ，记下所有的节点号和单元号，以备后用。

1、打开ANSYS Workbench, 拖动各模块到空白区，并照此连接各模块。

2 2、打开第一个模块当中的Geometry，建立几何模型：（1）在XY Plane内建立Ship Shell船长：0.4、船宽：0.14、型深0.11将第一个Solid重命名为Ship Solid在Concept中选择Surfaces From Faces，选中模型的六个面，然后Apply、Generate。

重命名第二个Ship Solid为Ship Shell右击Ship Solid, 选择Hide Body，显示Ship Shell, 然后对Ship Shell执行同样操作（即隐去）（2）在YZ Plane内建立液舱单击（New Plane），选择YZ plane，，Apply一下将YZ Plane 向X正方（图中为法向，即Z）向偏移0.02mGenerate一下，然后Show body 一下Ship Solid 与Ship Shell可以看到YZ Plane已平移到Body内了再将Ship Solid 与Ship Shell 都Hide，选择Plane 4，调为正视，Generate一下新建一个Sketch：单击，显示，在此Sketch中建立液舱模型草图单击约束（Constrains），将草图中的“水平线”调整为水平，“垂直线”调整为垂直：事实上仅用Horizontal（水平）和Vertical（垂直）就OK了。

以水平约束为例，先单击Horizontal，再依次单击草图中的水平线段。

调整后如下图所示：定义尺寸：左下角空缺的部分是预留贴“应变片”的部分，需要单独建模单击Extrude（拉伸），设置Operation（下拉列表中改选为Add Frozen）与拉伸尺寸（0.1m）：然后Generate一下将第三个Solid重命名为Fluid，拉伸后的效果如下：再新建一个Sketch，显示，在空缺处画一个长方形，然后拉伸0.1m，（其中Operation属性同样选为Add Frozen），Generate一下，同样把第四个Solid重命名为Fluid建立舱壁：在Concept中选择Surfaces From Faces，选中除“应变片”外的其余9个面图中“应变片”显示为未着色，即不选中，然后Generate一下将第五个Fluid重命名为Fluid Shell再Surfaces From Faces一次，选中“应变片”，Apply，Generate，同样将其重命名为Fluid Shell选中Fluid（内流场），将其属性改为Fluid，（Fluent中默认均为Solid）选中“内流场”，右击，选择Form New part，并重命名为Fluid再选中舱壁（Fluid Shell）也组成一个part，并重命名为Fluid Shell到此，液舱（内流场与舱壁）就建完了，然后将二者都执行Hide body（3）在ZX Plane内建外流场选择，调整为正视，旋转坐标系先确定外部尺寸，再确定内部尺寸：外部流场关于坐标轴（横轴）对称，两边各距离横轴0.3m，前后距离纵轴距离分别为：0.3m、3.14m. 内部为船体位置，横向（船宽）为0.14m、纵向（型深）为0.11m拉伸（Extrude）一下，拉伸长度为船长，即0.4m ，其中Operation选择Add Frozen，Generate 一下图中显示外流场把船体的位置给空了出来，将重命名为Out Fluid，同时将属性改为Fluid接下来进行流场切分（Slice）：在Tools中选择Freeze，产生透明效果单击Slice（或者在Create中单击Slice），在Slice Type中选择Slice by surface，点击Target Face，选中船体所在位置（即图中外流场所空出来的位置）内侧某一个面（以左侧面为第一个面为例），Appy一下。

流固耦合问题流固耦合问题是一种复杂的物理问题，它涉及到流体和固体之间的相互作用。

这种问题常常出现在工程设计和生物医学领域中，比如船舶设计、飞机设计、药物输送等。

本文将分步骤阐述流固耦合问题的相关知识。

第一步：理解流固耦合问题的概念流固耦合问题是指涉及到流动和固体材料之间相互作用的物理问题。

它通常发生在可变形固体与流体之间的边界面上，例如在弹性材料的表面或开放溶液表面。

由于流体和固体的相互作用，物体的形状和运动状态会发生变化。

这种变化可能会对流体运动状态产生影响，从而改变流体的速度和压力分布。

第二步：了解流固耦合问题的类别流固耦合问题可分为两类，一种是静态耦合，另一种是动态耦合。

静态耦合是指在瞬间时间内，固体形变速度远小于流体速度的情况下发生的耦合作用。

动态耦合是指在一段时间内，固体形变和流体运动是相互影响的耦合作用。

在生物医学领域中，由于心脏的收缩和血液的流动是相互影响的动态耦合，因此对这种耦合的研究极为重要。

第三步：分析流固耦合问题的数学模型流固耦合问题的数学模型通常由连续性、动量守恒和边值条件三个方程组成。

其中，连续性方程描述了流体的质量守恒，动量守恒方程描述了流体的运动状态，边值条件则用于描述固体表面的物理特性。

根据实际问题需要，可以采用不同的数值解法对模型进行求解，例如有限元法、有限体积法和边界元法等。

第四步：应用流固耦合问题的实际案例流固耦合问题在工程设计和生物医学领域中都有广泛的应用。

例如，在飞机设计中，需要考虑飞机表面的气流对于飞机结构的影响；在生物医学领域中，需要研究血流对心脏、大脑和肝脏等器官的作用。

此外，在船舶设计、岩土工程和涂料涂装等领域中也需要考虑流固耦合问题。

总之，流固耦合问题是一个非常重要的物理问题，在工程设计和生物医学领域有着广泛的应用。

深入研究流固耦合问题的数学模型和求解方法，能够为相关领域的进一步发展提供重要的理论和实践支持。

流固耦合教材流固耦合是流体力学和固体力学相互作用的一种重要现象，广泛应用于工程领域中。

本教材旨在介绍流固耦合的基本概念、理论模型和数值计算方法，以及其在工程实践中的应用。

流体力学和固体力学是研究流体流动和固体结构力学特性的两个独立的学科。

然而，在实际工程中，往往需要考虑流体和结构之间的相互影响，这时就需要使用流固耦合分析方法。

二、流固耦合的基本理论1. 流动力学基本原理流体的运动可以通过质量守恒、动量守恒和能量守恒三个基本方程来描述。

在流固耦合分析中，需要将流体的力学行为与固体结构的行为相结合，建立适当的数学模型。

2. 固体力学基本原理固体力学是研究物质的应力与应变关系的学科，包括弹性力学、塑性力学、断裂力学等。

在流固耦合分析中，需要考虑固体结构在流体流动中的变形和应力响应。

3. 耦合理论的建立流固耦合分析中，需要将流体力学和固体力学的方程进行耦合，建立相应的耦合模型。

常见的耦合模型有一体化耦合模型和分离式耦合模型。

三、流固耦合的数值计算方法1. 有限元方法有限元方法是流固耦合分析中常用的数值计算方法之一。

通过将连续的物理域离散化为有限个单元，求解各单元上的位移、速度、压力等参数，并通过单元之间的边界条件进行耦合。

2. 边界元方法边界元方法是一种将物理问题转化为表面积分方程求解的数值方法。

在流固耦合分析中，边界元方法可以用于求解流体域和结构域的界面上的力学参数。

3. 网格less方法网格less方法是一种将物理问题空间离散化的方法。

在流固耦合分析中，可以利用网格less方法进行流体和结构的耦合求解。

四、流固耦合的应用1. 结构物的水动力问题流体对结构物的作用会导致结构物的振动、变形和破坏。

流固耦合分析可以用于预测结构物在水动力环境下的响应，并进行可靠性评估。

2. 水力机械的设计与优化水力机械的设计与优化需要考虑流体流动对结构的影响。

通过流固耦合分析，可以优化水力机械的结构形式和流道参数，提高水力机械的工作效率和安全性。

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 tρρ∂+∇⋅=∂ (1) ()B v vv f tρρτ∂+∇⋅-=∂ (2) 式中，ρ为流体密度；v 为速度向量；Bf 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 tρρ∂+∇⋅=∂ （3） (-)+B r r c v v v f f tρρτ∂+∇⋅=∂ （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 单向流固耦合思路分析：轴流泵的单向流固耦合仅仅考虑流场对结构的影响，并不考虑结构变形对流场的影响，所以其数据的传递是单向的，流场和结构的分开计算，完成流场计算之后将其作为结构的边界条件加载到结构域上。

（完整版）[P]ABAQUS流固耦合之--增量步参数设置1. ABAQUS流固耦合分析步参数设置（1）abaqus流固耦合分析步参数设置-BASICTIME PERIOD为该分析步总时间，例如图中设定为86400s（该单位与建模时设置的系统单位⼀致，以下时间单位均默认为秒），则认为该分析步在86400s即24h内完成。

（2）EDIT STEP—INCREMENTATION，增量步的设置通常type选择automatic选项，即系统根据计算速度及收敛程度⾃动调整增量步（fixed为固定增量步，如每⼀步设置8640，则进⾏10步，最终总时间为86400，该选项不建议适⽤，模型复杂时易导致不收敛）Maximum number of increments，默认为100，模型复杂不易收敛时，可将其调⼤，即最⼤迭代次数增加（通常设置1000即⾜够）。

Initial，初始增量步，通常设定为time period的0.1~0.01倍，若模型收敛性较好，则系统将通过automatic功能⾃动调⼤增量步，加快计算速度。

Max.pore pressure change per increment，允许每步最⼤增量，该选项建议调⼤，例如本模型初始孔压最⼤值为6e5pa，则该选项可设定⼤于e5的数量级（设置过⼩，如e-5，则每步允许增量步太⼩，反复迭代次数过多易导致不收敛），End step when pore pressure change rate is less than可不设置，即认为其计算⾄最后终⽌。

（3）other其他选项⾮线性模型求解通常勾选unsymmetric。

以下为⽹络帖⼦，其所遇到问题正是由于增量步设置导致（尤其最⼤允许增量步的设置），供参考。

2. 帖1[流固耦合] abaqus流固耦合进⾏瞬态分析时，设定的UTOL是什么意义？如题，最近模拟的是注⽔试验过程，在进⾏瞬态渗流分析时，采⽤⾃动时间步长⾥要设置⼀个UTOL的值，书中说这个值是增量步中允许的孔压变化最⼤值，决定了孔压对时间积分的精确度。

热流固耦合流程一、啥是热流固耦合呀。

热流固耦合呢，就是把热学、流体力学还有固体力学这几个东西搅和到一块儿的一种超级有趣的东西。

你可以想象成是一场科学的大派对，热学、流体和固体这几个小伙伴都来参加，然后它们就开始互相影响、互相作用啦。

比如说在航空航天领域，飞机在高速飞行的时候，机身周围的空气流动（这就是流体的事儿啦）会产生热量，这个热量又会影响飞机机身（固体）的结构性能，同时机身的温度变化也会影响周围空气的流动呢，这就是热流固耦合在现实中的一个小例子。

二、热流固耦合的前置准备。

1. 模型建立。

我们得先把要研究的东西变成一个数学模型。

就像是给我们要研究的对象画一幅超级详细的画像。

对于固体部分，要确定它的形状、尺寸、材料属性这些东西。

比如说如果是研究一个金属零件，就要知道这个金属的弹性模量、泊松比、热膨胀系数等等。

对于流体部分呢，得搞清楚流体的类型（是气体还是液体呀）、流速、密度、粘度这些特性。

而热学方面，要确定物体的初始温度、热传导系数之类的。

这一步就像是给我们的热流固耦合派对搭好舞台，每个角色都得有自己的设定。

2. 网格划分。

有了模型之后，就像把这个画像变成一个拼图一样，要进行网格划分。

把整个模型划分成好多好多小的网格单元。

这一步可重要啦，网格划得好不好直接影响到后面计算的准确性。

如果网格太粗，就好像是用大砖头盖房子，房子肯定不结实，计算结果就不准。

要是网格太细呢，计算量就会超级大，就像你要数清楚全世界的沙子一样，电脑可能就会累得气喘吁吁啦。

所以要找到一个合适的网格密度，这就需要一些经验和不断的尝试哦。

三、热流固耦合的核心流程。

1. 物理场设置。

在这个阶段，我们要分别设置热学、流体和固体这几个物理场的方程。

热学呢，可能是热传导方程之类的，用来描述热量是怎么在物体里面跑来跑去的。

流体物理场就要设置像纳维斯托克斯方程这种，来控制流体的运动。

固体物理场就有应力应变关系的方程啦。

这些方程就像是每个小伙伴在派对上的行为准则，告诉它们该怎么玩、怎么互动。