流固耦合系统计算方法及应用软件概述
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种 各 样 的 液 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 和 固体域 ， 未知 变量含 而
显地分开 ， 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 通过 描述 问题的微 分 方程而 体现。第 二大类 问题 的特征是耦合作 用仅仅发 生在两相 交界向 上， 在方程上 耦合 是 由两 相耦 合 面的 平衡 及协调 关 系 引人 的。 这类 问题 又 可 以具 体 的 分 为 三 种 情 况 。第 一 种 足 流 体 与固 体 结
问题 。张庆华 。 不考虑液体 的波动所 产生 的动压力 ， 液体静 将
压力 作 为外 载 荷 通 过 Ａ Ｓ Ｓ模 拟 加 载 ， 用 有 限 元 模 拟 出 弹 性 ＮＹ 利 罐 体 的 变形 情 况 。王 华 ， 刚 讨 论 了含 液 容 器 流 固耦 合 动 力 曹 特性 的有 限元 方 程 ， Ａ Ｓ Ｓ软 件 对 正 方 形 充 液 容 器 进 行 了模 用 ＮＹ 态分 析 ， 出 其 理 论 模 态 特 性 ， 果 表 明 该 模 型 有 效 可 靠 。徐 得 结
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 ： （） １ 流体域 或固体域均不 可能单独求解 ； （） ２ 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 。
・
３・ ６
广州化 工
２１ 年 ３ ０ １ ９卷第 １ 期
１ ２ 化工机械充液系统流 固耦合计算方法的发展概述 ．
充液系统 是 由固体和液体混合组成 的具有无 限多 自由度 的力学 系统 。在工程 实际 中， 化工 机械充液 系统 中液体 晃动 及 与 结 构 的耦 合 振 动 是 一 个 非 常 常 见 而 且 重 要 的 问 题 。这 类 耦 合 问 题 由 于 涉 及到 流 体 力 学 、 体 力 学 、 力 学 、 算 力 学 以及 高 动 计 等数学等学科 ， 其机理 和本 质的探讨非 常复 杂和 困难。一般 根 据腔体旋转方式 不同 ， 液体 晃动分为 绕对称轴 旋转运 动和 三 把 维 液 体 运 动 。如 航 天 器 上 的 液 体 燃 料 贮 箱 、 体 火 箭 等 属 于 前 液 者 ， 对 于 像 油 罐 车 、 液 汽 车 、 机 油 箱 等 这 类 储 运 系 统 ， 于 而 载 飞 属
ＸＩ Ｙ ａ —ｙ Ｅ ｕ ｎ ｕ’ ＤＵＡＮ Ｚｉ—ｈｕ ，ＳＵ ｉ ｎ ａ Ｎ Ｌａ ｇ
，
（ ａ ｕ ｎＵ ｉｅｓｙｏ Ｔ ｃｎ ｌ ｙ ｈｎ ｉ ａ ｕ ｎ０ ０ ２ ； ｈｎ ｐ ｃ ｌ ｑ ｉｍ ｎ Ｉｓｅｔ ｎ １Ｔ ｉ ａ ｎｖｒｉ ｆ ｅｈ ｏ ｇ ，Ｓ ａｘ Ｔ ｉ ａ ３ ０ ４ ２Ｃ ｉａＳ ｅｉ ｕｐ ｅ ｔ ｎｐｃｉ Ｙ ｔ ｏ ｙ ａＥ ｏ
ａ ｄＲ ｓａ ｈＩｓｔｔ， ｅ ｉｇ１０ ２ ，Ｃ ｉａ ｎ ｅｅｒ ｎｔｕｅ Ｂ ｉｎ ０ ０ ９ ｈｎ ） ｃ ｉ ｊ
Ａｂｔａ ｔ Ｆｕｄ—Ｓ ｕｔｒ ｎｅａｔ ｎ Ｆ Ｉ ｒｂｅ ｏ ｌ ｏｃ ｒｉ ｍ ｎ ｎ ｉｅｒ ｇｆ ｌｓ ｓｅｉ ｌ ｉ ｔｅ ｓｒｃ ： ｌｉ ｔ ｃ ｅＩｔｒｃ ｏ （ Ｓ ）ｐｏ ｌ ｒ ｕ ｉ ｍｓｗ ｕｄ ｃｕ ａｙ ｅｇｎｅｉ ｅ ，ｅｐ ｃ ｌ ｎ ｈ ｎ ｎ ｉ ｄ ａｙ
蕾， 罗会信 为 了准确方便地计算 和分析 流体的传热 和流动情 况， 以分析某浸 入式 水 口浇 钢温 度场 和流 场 为例 ， 利用 Ａ Ｓ Ｓ Ｎ Ｙ
ＩＥ Ｆ Ｃ Ｍ Ｃ Ｄ中进行流体数值仿真 的前处理操作 ， 然后将生成 的网 格导人到 Ｃ Ｘ中施加边界条 件进行求 解计算 ， Ｆ 大大提 高了数值 仿 真 效率 。
于化工 、 海洋 、 船舶以及航空航天等许多领域 中。尤其 在化工 机 械领域 中发挥着十分重要的作用。如罐车在行驶 过程 中罐 内介 质 的惯性力对车体稳 定性 的影响 ， 型贮液罐 在地震 激励 作用 大 下产生的流固耦合作用 ， 液体湍振对输液管道的影响等等 。
一
在耦 合界 面上 ， 只有求解 了整个耦合系统后 ， 可以知道液体 与 才 固体 的运 动情 况 ， 正是 两相相互 作用 的特征 所在 。若 没有这 这
摘 要 ： 许多领域都会出现流固耦合的问题 ， 尤其是化工机械行业中。流固耦合（ｌ ｄ ＳｕｔｅＩｅ ｃｏ Ｓ） Ｆ ｉ — ｔ ｃ ｒ ｎ ｒ ｔｎＦＩ 即是热点又 ｕ ｒ ｕ ｔａ ｉ
是难 点 ， 难 点 在 于 它 的计 算 方 法 。本 文 对 化 工 机 械 充 液 系统 流 固耦 合 计 算 方 法 的 发 展 进 行 了概 述 ， 而 阐述 了 各 个 阶 段 使 用 的 数 值 研 究 方法 ， 介 绍 了 常 用 的计 算 流 固耦 合 的商 业 软 件 。最 后 对 化 工 机 械 充液 系 统 流 固耦 合 计 算 的发 展 进 行 了展 望 。 并
ｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｆｃ ｅ ｃ ｌｍａ ｈ ｎ ｒ ｕｉ —ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｉｔ ｒ ｃｉｎ ｗａ ｕ ｇ ｓｅ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔｏ ｈ ｍｉａ ｃ ｉ ｅｙ ｆ ｄ ｌ ｔ ｔ ｒ ｎ ｅ ａ ｔｏ ｓ ｓ ｇ ｅ ｔ ｄ． ｕ
Ｋ ｅ ｏ ｄｓ：ｌｑ ｉ —ｆｌｅ ｙ ｔ ｍ ；ｆｕｄ — ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｉ ｔｒ ｃｉ ｎ；ｎ ｍｅ ｉ ａ ｔ ｏ ｙｗ ｒ ｉ ｕｄ ｉ ｌｄ ｓ ｓｅ ｌ ｉ ｔ ｔ ｒ ｎｅ ａ ｔ ｕ ｏ ｕ ｒｃ ｌｍｅ ｈ ｄ；ｔ 化 工 机 械 方 面 经 历 了 从 易 到 难 ， 简 从 单 到 复 杂 的发 展 过 程 。对 于 充 液 系统 国 内 外 许 多 学 者 己对 其 进
行了大量 的 、 广泛的研 究 ， 出 了很 大 的努力 ， 付 同时也取 得 了不
少 的研 究 成 果 。
流 固耦 合 … 问 题 是 一 门 比较 新 的 力 学 边 缘 分 支 ， 流 体 力 是
学 与 固体 力 学 二 者 相 互 交 叉 生 成 的 。充 液 系 统 的 问题 广 泛 存 在
具体地说 ， 就是通过流体与固体的耦合 界面 ， 流体 的运 动影
响 固 体 的 变形 或运 动 ， 固体 的 变 形 或 运 动 又 影 响流 体 的 运 动 。 而
学边值或初边值问题 。 从 总 体 上 来 看 ， 固耦 合 问题 按 其 耦 合 机 理 可 分 为 两 人 类 。 流 第 一 大 类 问 题 的 特 征 是 两 相 域 部 分 或 全 部 重 叠 在 一 起 ， 以 明 难
１ 流 固耦 合 原 理 及 充 液 系统 计 算 方 法 的 发 展
ｃ ｅ ｃ ｌｍ ａ ｈ ｎ ｒ ｎ ｕ ｔｙ Ｆ １ｗａ ｏ ｏ ｉ ｓａ ｄ ｄｉ ｃ ｌ ｒ ｂ ｅ ｓ ｎ ｍ ｃ ｌ ｓｔ ｅ ｎ ｍｅ ｉａ ｔ ｏ ｈ ｍｉａ ｃ ｉ ｅ ｙ ｉ ｄ ｓｒ ． Ｓ ｓ ｈ ｔｔｐ ｃ ｎ ｍ ｕ ｔｐ ｏ ｌｍ ．ａ ｄ ｄｉ ｕ ｔｗａ ｈ ｕ ｒｃ ｌｍｅｈ ｄ．Ｔｈ ｅ ｅｄ — ｖ ｌｐ ｅ ｔｏ ｕ ｒｃ ｌｍｅｈ ｄ ｏ ＳＩｏ ｈ ｍｉａ ｃ ｉ ｅ ｑｕｄ — Ｆｉ ｅ ｙ ｔｍ ｓ ｏ ｔ ｎ ｄ Ｔｈ ａ ｉｕ ｔ ｇ ｓ ｏ ｅｏ ｍ ｎ ｆｎ ｍｅ ｉ ａ ｔ ｏ ｆＦ ｆｃ ｅ ｃ ｌｍａ ｈ ｎ ｒ Ｌｉ ｉ ｙ ｌ ｄ Ｓ ｓｅ ｗａ ｕｌ ｅ ． ｌ ｉ ｅ ｖ ｒｏ ｓ ｓａ ｅ ｆ ｎ ｍｅ ｉａ ｔ ｏ ｓｗｅ ｅｅ ｐｏ ｎ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｃ ｍ ｍｏ ｓ ｄ ｃ ｌｕ ａ ｉｎ Ｆ Ｉｃ ｍｍ ｅ ｃａ ｏ ｔ ｒ ｓｄｅ ｃ ｉ ｅ ｕ ｒｃ Ｉｍｅ ｈ ｄ ｒ ｘ ｕ ｄｅ ｎ ｈ ｏ ｎｕ ｅ ａｃ ｌｔ Ｓ ｏ ｏ ｒ ｉｌｓ ｆｗａ ｅｗａ ｓ ｒｂ ｄ． Ｆ ｎ ｌ ｉａｌ ｙ．ｔ ｅ ｈ
１ １ 流 固耦合 问题 的原理 及分 类概 述 ．
流固耦合 问题是 研究 流体 与 固体 两相 介 质之 间的交 互 作 用 ， 体 在运 动 液体 的载 荷 作 用 下 会 产 生 变 形 或 运 动 ， 固体 的 固 而 变形或运动又反过来 影响 液体 的运动 ， 进而 改变作 用 于固体 表 面 的载 荷 。这 种 液 崮耦 合 的 相互 作 用 在 不 同 的 条 件 下 将 产 生 各
般 意 义下 的三 维 液 体 晃 动 。 最早 研 究 化 工 机 械 这 类 问 题 并 取 得 重 大 成 果 的 是 俄 罗 斯 和 美 国 ， Ａ ｒｍ ｏ ． ．３最 先综 合 了有 关 理 论 和 研 究 方 法 ， 如 ｂａ ｓｎＨ Ｎ ［ Ｊ 并
一
运输过程中 的随机 振动 和瞬 态情 况 ， 得 了较好 的模 拟结 果。 取 张韶 光 使用 Ｎ Ｔ Ａ Ｎ计算考虑液面晃动 的圆柱壳振动模态 ＡＳＲ
构 之 间有 大 的相 对 运 动 的 问题 。 其典 型 例 子 是 机 翼 颤 振 或 悬 桥 振 荡 中发 生 的气 固 相 互 作 用 ， 被 人 们 习 惯 称 其 为 气 动 弹 性 ／ 这 Ｊ 学 问题 。第 二 种 是 具 有 流 体 有 限位 移 的 短 期 问 题 。 这 类 问题 巾 引起 位 形 变化 的 流 体 中 的爆 炸 或 冲 击 引 起 。 其 特 点 是 ： 们 极 人 其 关 心 的相 互 作 用 是在 瞬 间完 成 的 ， 位 移 是 有 限 的 ， 流 体 的 总 但 压缩性是 十分重要 的。第三种是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 、 声振 动 的 响应 、 容 器 的液 幽 噪 充液 耦合振动 、 水响应等都 是这类问题 的典型例子 。对这类问题 ， 船 人 们 主 要 关心 的是 耦合 系统 对 外 加动 力 载荷 的动 态 响腑 。
２１ 年 ３ ０１ ９卷第 １ 期
广州 化 工
显地分开 ， 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 通过 描述 问题的微 分 方程而 体现。第 二大类 问题 的特征是耦合作 用仅仅发 生在两相 交界向 上， 在方程上 耦合 是 由两 相耦 合 面的 平衡 及协调 关 系 引人 的。 这类 问题 又 可 以具 体 的 分 为 三 种 情 况 。第 一 种 足 流 体 与固 体 结
问题 。张庆华 。 不考虑液体 的波动所 产生 的动压力 ， 液体静 将
压力 作 为外 载 荷 通 过 Ａ Ｓ Ｓ模 拟 加 载 ， 用 有 限 元 模 拟 出 弹 性 ＮＹ 利 罐 体 的 变形 情 况 。王 华 ， 刚 讨 论 了含 液 容 器 流 固耦 合 动 力 曹 特性 的有 限元 方 程 ， Ａ Ｓ Ｓ软 件 对 正 方 形 充 液 容 器 进 行 了模 用 ＮＹ 态分 析 ， 出 其 理 论 模 态 特 性 ， 果 表 明 该 模 型 有 效 可 靠 。徐 得 结
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 ： （） １ 流体域 或固体域均不 可能单独求解 ； （） ２ 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 。
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广州化 工
２１ 年 ３ ０ １ ９卷第 １ 期
１ ２ 化工机械充液系统流 固耦合计算方法的发展概述 ．
充液系统 是 由固体和液体混合组成 的具有无 限多 自由度 的力学 系统 。在工程 实际 中， 化工 机械充液 系统 中液体 晃动 及 与 结 构 的耦 合 振 动 是 一 个 非 常 常 见 而 且 重 要 的 问 题 。这 类 耦 合 问 题 由 于 涉 及到 流 体 力 学 、 体 力 学 、 力 学 、 算 力 学 以及 高 动 计 等数学等学科 ， 其机理 和本 质的探讨非 常复 杂和 困难。一般 根 据腔体旋转方式 不同 ， 液体 晃动分为 绕对称轴 旋转运 动和 三 把 维 液 体 运 动 。如 航 天 器 上 的 液 体 燃 料 贮 箱 、 体 火 箭 等 属 于 前 液 者 ， 对 于 像 油 罐 车 、 液 汽 车 、 机 油 箱 等 这 类 储 运 系 统 ， 于 而 载 飞 属
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于化工 、 海洋 、 船舶以及航空航天等许多领域 中。尤其 在化工 机 械领域 中发挥着十分重要的作用。如罐车在行驶 过程 中罐 内介 质 的惯性力对车体稳 定性 的影响 ， 型贮液罐 在地震 激励 作用 大 下产生的流固耦合作用 ， 液体湍振对输液管道的影响等等 。
一
在耦 合界 面上 ， 只有求解 了整个耦合系统后 ， 可以知道液体 与 才 固体 的运 动情 况 ， 正是 两相相互 作用 的特征 所在 。若 没有这 这
摘 要 ： 许多领域都会出现流固耦合的问题 ， 尤其是化工机械行业中。流固耦合（ｌ ｄ ＳｕｔｅＩｅ ｃｏ Ｓ） Ｆ ｉ — ｔ ｃ ｒ ｎ ｒ ｔｎＦＩ 即是热点又 ｕ ｒ ｕ ｔａ ｉ
是难 点 ， 难 点 在 于 它 的计 算 方 法 。本 文 对 化 工 机 械 充 液 系统 流 固耦 合 计 算 方 法 的 发 展 进 行 了概 述 ， 而 阐述 了 各 个 阶 段 使 用 的 数 值 研 究 方法 ， 介 绍 了 常 用 的计 算 流 固耦 合 的商 业 软 件 。最 后 对 化 工 机 械 充液 系 统 流 固耦 合 计 算 的发 展 进 行 了展 望 。 并
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行了大量 的 、 广泛的研 究 ， 出 了很 大 的努力 ， 付 同时也取 得 了不
少 的研 究 成 果 。
流 固耦 合 … 问 题 是 一 门 比较 新 的 力 学 边 缘 分 支 ， 流 体 力 是
学 与 固体 力 学 二 者 相 互 交 叉 生 成 的 。充 液 系 统 的 问题 广 泛 存 在
具体地说 ， 就是通过流体与固体的耦合 界面 ， 流体 的运 动影
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学边值或初边值问题 。 从 总 体 上 来 看 ， 固耦 合 问题 按 其 耦 合 机 理 可 分 为 两 人 类 。 流 第 一 大 类 问 题 的 特 征 是 两 相 域 部 分 或 全 部 重 叠 在 一 起 ， 以 明 难
１ 流 固耦 合 原 理 及 充 液 系统 计 算 方 法 的 发 展
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１ １ 流 固耦合 问题 的原理 及分 类概 述 ．
流固耦合 问题是 研究 流体 与 固体 两相 介 质之 间的交 互 作 用 ， 体 在运 动 液体 的载 荷 作 用 下 会 产 生 变 形 或 运 动 ， 固体 的 固 而 变形或运动又反过来 影响 液体 的运动 ， 进而 改变作 用 于固体 表 面 的载 荷 。这 种 液 崮耦 合 的 相互 作 用 在 不 同 的 条 件 下 将 产 生 各
般 意 义下 的三 维 液 体 晃 动 。 最早 研 究 化 工 机 械 这 类 问 题 并 取 得 重 大 成 果 的 是 俄 罗 斯 和 美 国 ， Ａ ｒｍ ｏ ． ．３最 先综 合 了有 关 理 论 和 研 究 方 法 ， 如 ｂａ ｓｎＨ Ｎ ［ Ｊ 并
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运输过程中 的随机 振动 和瞬 态情 况 ， 得 了较好 的模 拟结 果。 取 张韶 光 使用 Ｎ Ｔ Ａ Ｎ计算考虑液面晃动 的圆柱壳振动模态 ＡＳＲ
构 之 间有 大 的相 对 运 动 的 问题 。 其典 型 例 子 是 机 翼 颤 振 或 悬 桥 振 荡 中发 生 的气 固 相 互 作 用 ， 被 人 们 习 惯 称 其 为 气 动 弹 性 ／ 这 Ｊ 学 问题 。第 二 种 是 具 有 流 体 有 限位 移 的 短 期 问 题 。 这 类 问题 巾 引起 位 形 变化 的 流 体 中 的爆 炸 或 冲 击 引 起 。 其 特 点 是 ： 们 极 人 其 关 心 的相 互 作 用 是在 瞬 间完 成 的 ， 位 移 是 有 限 的 ， 流 体 的 总 但 压缩性是 十分重要 的。第三种是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 、 声振 动 的 响应 、 容 器 的液 幽 噪 充液 耦合振动 、 水响应等都 是这类问题 的典型例子 。对这类问题 ， 船 人 们 主 要 关心 的是 耦合 系统 对 外 加动 力 载荷 的动 态 响腑 。
２１ 年 ３ ０１ ９卷第 １ 期
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