U 型充液管道的流固耦合分析

流固耦合现象的力学分析流固耦合现象是指在流体与固体互相作用下产生的力学现象。

它在许多实际问题中都扮演着重要的角色，例如河流冲刷、风力发电机叶片受到的风压力、飞机机翼与空气的相互作用等。

在物理学中，我们可以通过一系列定律来分析流固耦合现象，并通过实验来验证我们的理论。

首先，流固耦合现象的分析离不开连续介质力学定律。

连续介质力学是物质运动的宏观力学理论，它假设物质是连续的，并考虑了宏观尺度上的平均效应。

其中最基本的定律是质量守恒定律和动量守恒定律。

质量守恒定律指出，在任何物理过程中，质量是守恒的。

具体到流固耦合现象中，我们可以通过实验来验证这一定律。

例如，我们可以设计一个容器，将含有某种流体的管道与固体结构相连接。

通过流体在管道中的流动，我们可以测量流体的质量，并与实验前后的质量进行比较。

如果质量守恒定律正确，那么我们应该得到相同的结果。

动量守恒定律则描述了物体上力的作用和物体运动之间的关系。

在流固耦合现象中，我们需要考虑流体和固体之间的相互作用力。

在实验中，我们可以通过建立一个闭合系统来验证动量守恒定律。

具体来说，我们可以设计一个装置，其中一个部分是由流体构成的，另一个部分是由固体构成的。

通过观察流体和固体之间的相互作用力，我们可以验证动量守恒定律是否成立。

除了连续介质力学定律，流固耦合现象的分析还需要考虑流体力学和固体力学的相关定律。

在流体力学中，纳维-斯托克斯方程是最基本的定律之一。

该方程描述了流体在不同条件下的运动。

我们可以通过使用带有适当边界条件的纳维-斯托克斯方程来分析流固耦合现象。

例如，我们可以考虑一个水流经过一个固体结构的情况。

我们可以通过实验来观察水流的流速和固体结构上的压力分布，并将这些观察结果与纳维-斯托克斯方程的解进行比较，以验证该定律的准确性。

在固体力学中，弹性力学定律是重要的分析工具。

弹性力学定律描述了固体在受到外力作用下的变形行为。

对于流固耦合现象，我们需要考虑固体结构受到流体力作用引起的变形。

流固耦合声学分析介绍流固耦合声学分析是一种结合了流体动力学和固体动力学的分析方法，用于研究流体和固体之间的相互作用以及声波的传播和辐射。

在许多工程和科学领域中，流固耦合声学分析被广泛应用于汽车、航空航天、船舶、建筑、声学设备等领域。

流固耦合声学分析的基本原理是通过数学模型和计算方法将流体动力学和固体动力学耦合在一起。

在此分析中，首先需要确定流体流动的初始条件，包括流体的速度、压力和密度分布。

然后需要确定固体结构的几何形状和材料力学性质，并考虑外部声源或振动源对固体的激励。

接下来，通过求解流体动力学方程和固体动力学方程的耦合方程组，可以获得流场和固场的解，并计算声波的传播和辐射情况。

流固耦合声学分析的主要应用之一是预测机械结构在流体流动中的响应和振动情况。

例如，可以通过该方法研究汽车外壳在行驶过程中的空气动力学效应以及引擎振动对车身的影响。

通过模拟流固耦合声学分析，可以优化汽车外壳的设计，降低噪声和振动水平，提高乘坐舒适性。

同样，该分析方法还可以用于研究飞机机翼、船体、建筑等结构在流体流动中的响应和振动情况，以提高它们的性能和安全性。

流固耦合声学分析还可以用于预测声波的传播和辐射。

例如，在航空航天领域中，可以通过该方法研究喷气发动机尾迹噪声的传播和辐射特性，改进发动机设计，降低噪声水平。

在建筑领域，可以使用流固耦合声学分析预测建筑结构的隔声性能，改善室内声环境。

在声学设备领域，可以通过该分析方法优化扬声器和音箱的设计，改善音质和音量的性能。

流固耦合声学分析主要依靠计算流体力学（CFD）和有限元分析（FEA）等计算方法来求解耦合方程组。

这些计算方法通常需要使用计算机辅助工程软件，如ANSYS、ABAQUS等。

这些软件提供了丰富的数学模型、求解算法和后处理工具，可以帮助工程师和科学家快速、准确地进行流固耦合声学分析。

然而，流固耦合声学分析也面临一些挑战和限制。

首先，由于流场和固场的方程组是非线性的，求解过程具有一定的复杂性和计算量。

管道系统的流固耦合振动分析与振动控制管道系统中的流固耦合振动是一种常见的动力学现象，对于系统的安全性和可靠性具有重要影响。

因此，对管道系统的流固耦合振动进行分析和控制是非常必要的。

本文将介绍管道系统的流固耦合振动的基本原理、分析方法和振动控制技术，并分析其在实际应用中的一些问题和挑战。

一、流固耦合振动的基本原理管道系统的流固耦合振动是指在流体通过管道时，由于流体与管道壁之间的相互作用，产生的流固耦合振动。

其基本原理可以通过流体力学和结构力学的分析来解释。

在流体力学方面，流体在管道中流动时会产生压力波动，这些波动会传播到整个管道系统中，引起管道壁的振动。

而在结构力学方面，管道壁的振动会引起流体内部的压力波动，形成一个闭环的流固耦合振动系统。

二、流固耦合振动的分析方法为了对管道系统的流固耦合振动进行准确的分析，可以采用两种主要的方法：数值模拟和实验测试。

1. 数值模拟方法数值模拟方法是通过数学建模和计算机仿真来模拟管道系统的流固耦合振动。

其中，计算流体力学（CFD）方法可以用来模拟流体流动，有限元法（FEM）可用于模拟管道振动。

通过将这两种方法耦合起来，可以得到较为准确的流固耦合振动特性。

2. 实验测试方法实验测试方法是通过搭建实验平台来进行流固耦合振动的测试。

通过在实验平台上设置不同的工况和参数，可以获取管道系统的振动响应。

常用的测试方法包括压力传感器、加速度传感器等。

通过实验测试，可以获取系统的振动特性，并验证数值模拟结果的准确性。

三、振动控制技术为了降低管道系统的流固耦合振动，需要采取一些有效的控制手段。

目前常用的振动控制技术有两种：被动控制和主动控制。

1. 被动控制技术被动控制技术主要包括减振器和阻尼材料的应用。

减振器可以通过改变系统的固有频率或阻尼特性来吸收振动能量，从而减小振动幅值。

阻尼材料可以通过吸收或传导振动能量来减小系统的振动响应。

2. 主动控制技术主动控制技术则是通过在系统中添加控制器和执行器来主动调节系统的振动响应。

充液容器流固耦合模态仿真分析研究
薛杰;何尚龙;杜大华;李锋
【期刊名称】《火箭推进》
【年(卷),期】2015(041)001
【摘要】主要介绍目前容器类流固耦合模态分析最常用的两种计算方法:声固耦合法及虚拟质量法.从理论上分别对这两种方法进行分析,并指出它们之间的联系与区别:虚拟质量法采用了声固耦合法在不可压缩流体情况下的形式,并有所改进,即流体的作用完全由虚拟质量阵来体现,而流体的虚拟质量阵则通过具有解析解性质的边界元法获得.最后,通过开口方槽干状态、湿状态的无阻尼模态仿真分析研究,揭示出流体对结构模态特性影响的变化规律,同时指出了两种方法(虚拟质量法、声固耦合法)对结构湿模态计算结果有规律性的差异:随着振动频率的升高,不仅容器内流体对结构模态特性的影响在减小,分析湿模态的两种方法所得到的计算结果之间的差别也在逐渐减小.
【总页数】8页(P90-97)
【作者】薛杰;何尚龙;杜大华;李锋
【作者单位】西安航天动力研究所,陕西西安710100;西安航天动力研究所,陕西西安710100;西安航天动力研究所,陕西西安710100;西安航天动力研究所,陕西西安710100
【正文语种】中文
【中图分类】V434-34
【相关文献】
1.基于ANSYS的含液容器流固耦合模态分析 [J], 王华;曹刚
2.基于多物理场的管道强度与模态分析（一）充液异径管的流固耦合分析 [J], 张杰
3.固着液滴的流固耦合模态仿真分析 [J], 石广丰; 霍明杰; 王子涛
4.基于仿真体系模态下的流固耦合场泵站出水塔动力响应特征分析研究 [J], 曹洋;王逸;邵雨辰
5.充液弹性管束流固耦合系统模态分析 [J], 郑继周;程林;杜文静
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第25卷第4期2010年4月航空动力学报Journal of Aerospace PowerVol.25No.4Apr.2010文章编号:1000-8055(2010)04-0852-05火箭推进系统充液管路的流固耦合动响应分析魏 鑫1,孙 冰1,于子文2,汤 波2,张青松2(1.北京航空航天大学宇航学院,北京100191;2.北京宇航系统工程研究所,北京100076)摘 要:针对大型运载火箭推进系统中的液氧供应管路,建立流固耦合作用的模型,开展了动响应分析研究.在二维平面管系中同时分析纵向和横向振动及其相互作用,并考虑泊松耦合和连接耦合的影响,对火箭贮箱出口的充液管段模型进行了计算.结果表明:相对于经典水锤理论,考虑纵向横向振动的充液管路的流固耦合动响应形式相对复杂,频率和幅值也有变化.该研究工作为下一步的管路试验和振动抑制研究提供了参考.关 键 词:流固耦合;充液管路;振动;纵向和横向中图分类号:V414.3 文献标识码:A收稿日期:2009-03-30;修订日期:2009-07-14作者简介:魏鑫(1981-),男,四川宜宾人,博士生,研究方向为火箭动力学、冲压以及火箭发动机热防护研究.Dynamic response analysis of fluid -structure interactionin liquid -filled pipes of rocket feed systemWEI Xin 1,SU N Bing 1,YU Z-i w en 2,T ANG Bo 2,ZH ANG Qing -song 2(1.School of Astronautics,Beijing University of Aeronautics and A stronautics,Beijing 100191,China;2.Beijing Institute of Astronautical Sy stem s Eng ineer ing,Beijing 100076,China)Abstract:Co nsidering the effect of fluid -structure interaction,the dy nam ic response study of liquid -filled pipes of ro cket feed sy stem w as carr ied out in this paper.To set a mod -el,the pipes w er e defined in a plane,w hich could v ibrate axially and transversely under the influence by Po isso n coupling and junction coupling.Numerical test o n pipes betw een rocket tank and pum p w as then conducted.T he reasonable results reg arding frequencies and modes show the necessity of propo sed model,as compared w ith the traditional w ater hamm er mod -el.This study co uld give a reference to the pipe test and further study on oscillatio n suppr es -sion.Key words:fluid -structure inter actio n;liquid -filled pipes;vibration;ax ial and later al direction流固耦合(fluid -structure inter actio n,FSI)问题属于应用力学范畴,它是充液管路固有力学特性的体现./耦合0是指流体与管路在运动中相互影响、相互作用.1956年,流固耦合作用首先被Skalak [1]提出;他认为在充液管路中除了压力波外,还相应地存在应力波;这也就是所谓的/前驱波0(precursor w aves)现象.该现象后被T ho rley 实验所证实.此后,众多学者提出了各种流固耦合数学模型,但是这些模型仅仅只考虑了流体在流经弯头或阀门等处时与管路的耦合作用.直到上世纪80年代,Wiggert [1]和Tijsseling [2]等人的研究(尤其是耦合机理方面)取得了较大突破.他们第4期魏鑫等:火箭推进系统充液管路的流固耦合动响应分析建立的流固耦合模型,不仅包含了连接耦合,而且还考虑了由轴向变形与径向变形相互影响而引起的泊松耦合.国内关于流固耦合的研究,起步相对较晚.张智勇[3]和孙玉东[4]等人利用仅考虑纵向振动的流固耦合模型分别进行了针对关阀水锤和开阀水锤的动响应分析.公开的文献资料中罕见有关火箭推进系统充液管路的流固耦合动响应分析方面的研究报导.然而针对液体运载火箭推进系统管路的流固耦合动响应研究是非常具有实际意义的.航天运载领域的跷振问题是流固耦合动力学研究的内容之一.对于具有较大长细比的液体运载火箭,当其推进系统固有频率与结构纵向振动频率彼此接近或相等时,就可能引起火箭全系统的不稳定振动,类似不断跳跃的/弹簧单腿高跷0,即所谓的/POGO0现象.这种振动将导致仪器仪表无法可靠工作,宇航员生理系统失调,甚至运载器飞行失败等问题.POGO问题的分析和抑制需要对液体运载火箭推进系统管路进行动力学研究.而当前关于POGO问题的动力学研究大多采用解耦法,即把管路中的流体脉动和管路振动分开进行研究[5].然而实际上,流体在管路中的脉动流动会引起管路变形,而管路的变形又会改变流体的流动状态,这样解耦分析必然与实际不符.并且综合国内外学者在其他领域的研究也可以看到,不考虑流固耦合作用相对考虑流固作用所得到的结果是有偏差的,尤其是当管路相对自由时,这样使系统设计分析的安全性存在问题.因此,对火箭推进系统开展考虑流固耦合作用的充液管路动特性研究是十分必要的.本文将流固耦合中的泊松耦合和连接耦合机理应用于大型运载火箭推进系统中的液氧供应管路的动特性研究;在分析中同时考虑了纵向和横向振动及其相互作用;针对火箭贮箱出口的充液管段模型开展了不考虑流固耦合(即经典水锤模型)和考虑流固耦合的对比计算,并对结果进行了分析.1计算模型1.1直管单元如图1所示,对于一个充液直管单元,本研究只考虑纵向和横向运动,即认为系统为二维平面管系,只在y-z平面运动.为简化模型,给出如下假设:¹流体作一维纵向流动,忽略局部损失,且不会发生气蚀;º管壁截面应力分布均匀;»管壁变形在线性范围内[4].根据流体和管路的泊松耦合和摩擦耦合机理,并参考T im oshenko梁模型[6],针对充液直管单元分别建立纵向和横向的运动微分方程.纵向运动微分方程包含了流体纵向运动方程、流体连续性方程、管路纵向运动方程、以及考虑流体压力影响的管路应力应变关系方程.图1充液直管单元示意Fig.1Element of liquid-filled pipe hint5V5t+1Q f5p5z+R f V=0(1) 5V5z+1K*5p5t-2M5u#z5z=0(2)5u#z5t-1Q t5R z5z-R t V=0(3)5u#z-1E5R z=-M REe5p(4)其中z为管道纵向距离,V为流体速度,p为流体压力,Q f为流体密度,R f为黏性阻尼系数,u#z为管路速度,Q t为管路材料密度,M为泊松比,E为杨氏模量,R为内半径,e为壁厚,K*为修正的流体体积模量.方程(2)左端第三项表示泊松耦合对流体连续性的影响;若忽略该项,则方程(1),(2)构成经典水锤理论的表示形式[7].横向运动微分方程则包括了管路横向运动方程、剪力动平衡方程、弯矩动平衡方程、以及挠曲轴近似微分方程.5u#y5t+1Q A5Q y5z=0(5)5u#y5z+1GA t5Q y5t=-ÛH x(6)5ÛH x5t+1Q I5M x5z=1Q I Q y(7)5ÛH x5z+1EI t5M x5t=0(8)853航 空 动 力 学 报第25卷其中u #y 为管路横向速度,Q y 为横向剪切力,ÛH x 为管路挠曲转角速度,M x 为弯矩,I 为转动惯量,G 为管道剪切模量,单位长度平移惯量Q A =Q t A t +Q f A f ,单位长度等效转动惯量Q I =Q t I t +Q f I f .1.2 弯管单元如图2所示,对于弯管单元,需要通过边界条件和连接条件来考虑连接耦合[2].与直管单元相似,只考虑y -z 平面运动;且忽略弯管质量,各力的改变只与液体运动有关.根据守恒条件,可以得到以下的关系式:A f 1V 1-u #z 1=A f 2V 2-u #z 2(9)p 1=p 2(10)u #z 1=u #z 2cos A +u #y 2sin A(11)A f1p 1-A p1R z1=A f2p 2-A t2R z 2co s A +Q y 2sin A (12)u #y 1=u #y2cos A -u #z2sin A (13)Q y 1=Q y2cos A -A f p -A t R z2sin A(14)ÛH x 1=ÛH x 2(15)M x 1=M x 2(16)其中A 为弯管连接前后的z 方向变化角度,以顺时针变化为正.图2 充液弯管单元示意F ig.2 Element o f liquid -filled elbo w pipe hint1.3 特征线法求解利用特征线法,将偏微分方程组(1)~(16)转化为常微分方程组,即可积分得到各状态变量与上一时层状态变量的关系.表达式具有直观、物理意义明确的特点,而且利于编程实现.针对具体管路进行分析时,首先把对象模型按照设定的空间步长划分为若干节点,并根据CFL(Courant -Friedrichs -Lew y)条件选择相应的时间步长.在沿时间推进的计算过程中,需要判断节点类型:若为边界节点,则考虑特征线与节点交汇的方式,选取相应的特征线方程组,并结合边界条件求解;若为连接耦合节点,则结合连接耦合方程求解;其余节点,则直接利用特征线方程组求解.按照上述过程进行编程计算,并对考虑流固耦合的关阀水锤算例[3]和单弯管撞击试验结果[2]进行了对比仿真计算,与文献符合较好,说明了流固耦合模型的合理性和计算程序的正确性,也为后续的仿真计算打好了基础.2 贮箱出口至泵前管路计算针对某火箭液氧贮箱出口的充液管段进行动响应分析.如图3所示,左侧的pipe 1为简化的充液管段模型,右侧的pipe 2为总长度与pipe 1相等的对比分析模型;管路长度单位为m.图3 贮箱出口段管路pipe 1和等长直管pipe 2示意图F ig.3 Pipe 1(outlet of stor age)and straig ht pipe 2(leng th as t he pipe 1)hint管路始端为贮箱出口,出口压力p 0=0.4MPa,体积流量Q 0=0.2m 3/s,有如下约束条件:u #z 0,t =0,p 0,t =p 0,Q y 0,t =0,M x 0,t =0管路末端为固定端.在此处设置一个阶跃型0.01s 内减少1%的流量,即扰Q 0-(Q 0/100)1-S ,其中S =t c 为0.01s,指数E m 为1.5.854第4期魏 鑫等:火箭推进系统充液管路的流固耦合动响应分析根据静力平衡条件,可以分析得到各点初始时刻的应力、剪力和弯矩值.对于直管pipe 2,我们首先利用经典水锤理论模型进行计算,得到管路末端的压力变化如图4中的曲线1.因为该模型只针对管内流体进行分析,所以对阶跃信号的压力响应为方波形式的曲线;而且,曲线的变化规律可以用类似关阀水锤的分析[7]进行解释,压力波完成一个传播循环,其周期为T =4(L /c f )U 0.1008s,相应的频率为9.92Hz.图4 阶跃激励下管路末端的压力变化曲线Fig.4 Curve o f pr essure at t he end o f pipe(spr ing disturbance)若考虑流固耦合作用,直管pipe 2末端的压力变化如图4中的曲线2,与曲线1相比较,前者出现了很多锯齿形状的波动,这反映了管路应力波的存在;而且曲线2压力变化的幅度也有所增大.从图5的频谱曲线可以看到,此时pipe 2系统的基频为9.44H z.对于贮箱出口充液管段pipe 1,末端压力变化曲线如图4中的曲线3,其振动形式相对最复杂,幅度也有所不同;从图6的频谱图可以看到,pipe 1系统的基频为9.13H z.分析原因如下:如果不考虑弯管连接耦合,pipe 1管路就等效于等长直管pipe 2;如果考虑弯管连接耦合,充液管路纵向和横向振动之间的相互影响就会显现;纵向和横向的运动状态量在各处平衡关系制约下,会发生振动形式的改变,从而使单纯的纵向扰动转变为纵横弯多种形式混合的扰动;因此,压力响应曲线也就变得更加复杂.图5 Pipe 2管路末端压力变化的功率谱Fig.5 Po wer spectrum o f pipe 2图6 Pipe 1管路末端压力变化的功率谱Fig.6 Po wer spectrum o f pipe 13 结 论1)对于两端固定、入口定压出口流量变化的充液直管,由于考虑流固耦合作用受到应力波的影响,相对于只对管内流体进行分析的经典水锤理论模型,其压力响应曲线出现了锯齿型变化,计算得到的系统的固有频率减小.2)对于弯管,由于考虑了弯管连接耦合,管路纵向和横向振动相互影响,纵向扰动形成了纵横弯多种形式叠加的复杂响应曲线,计算得到系统频率相对不考虑弯管效应(即等长的直管)的系统频率有所减小.3)对考虑流固耦合、以及纵向和横向振动相互影响的充液管路模型进行动响应分析,其频率和幅值通常都会发生较大变化.因此,对于以往根855航空动力学报第25卷据经典水锤理论模型开展动响应分析而得到的一些安全情况,就可能会存在潜在危险,有必要进行重新分析确认.4)本文的计算模型及其分析结果,为相关的管路试验设计和实施提供了参考,同时也为充液管路的振动预测及抑制研究提供了思路.另外计算结果的准确性也需要通过试验进一步来验证.参考文献:[1]W iggert D C,Hatfield F J.Analysis of liquid and s tructuretransients in piping b y the meth od of characteristics[J].AS M E Journal Fluids Engin eering,1987,109:161-165. [2]T ijss elin g A S,Vardy A E,Fan D.Fluid-structur e inter-action and cavitation in a s ingle-elbow pipe s ystem[J].J ou rnal of Fluids and Structu res,1996,10:395-420.[3]张智勇,沈荣瀛,王强.充液管系轴向振动响应计算研究[J].噪声与振动控制,1999,10(5):5-8.ZH ANG Zhiyon g,SH EN Rongying,W ANG Qiang.S tu d-y and calculation of axial res ponse of liquid-filled pipin gs ystem[J].Noise and Vib ration Control,1999,10(5):5-8.(in Chin es e)[4]孙玉东,刘忠族,刘建湖,等.水锤冲击时管路系统流固耦合响应的特征线分析方法研究[J].船舶力学,2005,9(4):130-137.S UN Yudong,LIU Zh on gzu,LIU Jian hu,et al.Ap plicationof M OC to calculation of fluid-structural coupling res ponseof pipin g system under im pact of w aterhammer[J].J ou rnalof S hip M echanics,2005,9(4):130-137.(in C hines e)[5]王其政.结构耦合动力学[M].北京:宇航出版社,1997.[6]T imos henk o S,Young D H,Weaver W,Jr.Vibration pr ob-lems in en gineering[M].New York:W iley,1974.[7]W ylie E B,Streeter W L.Flu id tran sien ts[M].New York:M cGraw-H ill In ternational Book Co.,1978.856。

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。

流固耦合的研究综述流固耦合是指流体和固体之间相互作用的现象。

在许多自然界和工程应用中，流体和固体之间的相互作用起着重要的作用。

例如，在大气中，风与树木之间的相互作用会导致树枝的摆动；在海洋中，海浪与海岸线的相互作用会引起沙滩的冲刷。

在工程应用中，流固耦合现象也十分常见，如飞机在飞行时的气动弹性效应、管道中的液固两相流动等。

流固耦合现象的研究对于深入理解自然界中的复杂问题和提高工程应用的性能至关重要。

本文将综述流固耦合的研究现状和相关领域的进展，并重点介绍流固耦合模型的建立和求解方法。

在流固耦合的研究中，模型的建立是一个关键的环节。

根据问题的实际情况和研究目标，可以采用不同的数学模型来描述流体和固体之间的相互作用。

常用的模型包括神经网络模型、有限元模型和计算流体动力学模型等。

这些模型能够准确地描述流体和固体之间的动力学关系和力学行为，并提供对流固耦合现象的定量分析。

在流固耦合模型的求解中，常用的方法包括数值模拟和实验测试。

数值模拟方法主要是利用计算机模拟流体和固体之间的相互作用过程。

常见的数值模拟方法包括流体动力学模拟、结构动力学模拟和流固耦合模拟等。

通过数值模拟，研究人员可以获得流体和固体之间的详细信息，如压力分布、速度场和应力分布等。

实验测试方法主要是通过实验设备来模拟流体和固体之间的相互作用过程，并进行测试和观测。

实验测试可以提供直观的物理现象和定量的实验数据，对于验证数值模拟结果和模型的有效性具有重要意义。

在流固耦合的研究中，还存在许多待解决的问题和挑战。

首先，流固耦合现象的模型和方法需要进一步发展和改进，以更好地符合实际问题的要求。

其次，流固耦合模型的求解方法需要更加高效和准确，以提高计算速度和求解精度。

此外，流固耦合的研究还需要考虑多尺度效应和非线性效应等复杂问题，进一步提高模型的适用范围和研究的深度。

综上所述，流固耦合作为一个重要的研究领域，对于理解自然界和工程应用中的复杂问题具有重要的意义。

充液管道中弯头流固耦合振动分析数学建模研究钟永恒;钟易成;田野;邓君湘【摘要】基于特征线14方程模型,对充液管路系统中弯头处的流固耦合进行了建模研究,得出了弯头处的平衡方程,通过C++软件开发管道流固耦合时域响应计算程序,结合文献算例验证了建模的正确性,研究了弯头对管道流固耦合振动特性的影响.结果表明,和直管相比,弯接头的存在能够降低流固耦合作用中流体压力和管道所受轴向应力脉动的峰值;弯头角度为90°时,弯头处流体压力脉动以及管道轴向应力脉动的峰值最小.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2019(048)003【总页数】5页(P120-124)【关键词】管道;流固耦合;振动分析;数学建模;弯头【作者】钟永恒;钟易成;田野;邓君湘【作者单位】南京航空航天大学江苏省航空动力系统重点实验室,江苏南京210016;南京航空航天大学江苏省航空动力系统重点实验室,江苏南京210016;沈阳特种设备检测研究院,辽宁沈阳110035;沈阳特种设备检测研究院,辽宁沈阳110035【正文语种】中文【中图分类】TP391.90 引言充液管道系统普遍应用于机械、水利、电力、化工、核工程、航空航天以及医疗等各个领域[1]。

充液管道系统对国民经济、人民生活水平都起着十分重要的作用[2]。

当管路系统中阀门突然关闭、油泵机组突然停车等某种外界原因使得液体流速突然发生变化时，会导致压强急剧升高和降低的交替变化，产生的压力以压力波的形式在管道中传播，进而诱发管道的自激振动甚至大幅度的振荡，管道的振动又会引起新的水击过程，这种流体和管道之间的相互作用过程称之为充液管道的流固耦合[3]。

充液管道流固耦合中流体与管道之间的关系可以通过图1描述[4]。

根据耦合机理的不同，可将充液管道流固耦合形式分为：摩擦耦合、泊松耦合和结合部耦合。

相比较摩擦耦合和泊松耦合，结合部耦合(如弯头处)导致的充液管道流固耦合作用更加明显[5]。