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奈思流固耦合仿真小课堂

目 录

1 仿真对象简述... 1

1.1仿真内容... 2

2 研究方法与依据... 2

2.1 三维结构流致振动流固耦合模拟方案概述... 2

2.2 控制方程及湍流模型... 5

2.2.1 控制方程... 6

2.2.2 湍流模型... 7

2.3 网格划分技术... 7

2.4 动网格技术介绍... 10

3 仿真设置及基本过程... 11

4 仿真结果分析... 14

4.1流场分析... 14

4.1.1 压力云图... 15

4.1.2 速度云图... 15

4.2 固体域分析... 16

4.2.1 应力分析... 17

4.2.2 位移响应... 17

1 仿真对象简述

本次验证算例为一柔性钢管圆柱绕流，管两端固定支撑。流场结构及边界条件如图。圆柱直径为10mm，后面薄片宽度0.2mm，长度20mm，如图所示。的流体域尺寸为600mm×300mm×0.5mm，圆柱距离边界足够远可以忽略壁面影响。固体域材料为自己给定的一种极软材料，杨氏模量0.03MPa，密度735kg/m3，泊松比0.41。

本次将结合圆柱绕流与薄片大变形这个比较难的双向流过耦合进行仿真，进一步深化之前的认识。首先流体绕流圆柱，产生涡阶。导致薄片两侧压力分布不均匀，由此将会使薄片变形振动，产生规律应变。关键难点如下：1划分高质量结构网格；2调整参数，计算出涡阶；3设置双向流固耦合；4解决薄片结构场负网格报错的问题。

为选取适合于双向流固耦合的数值计算方法，获得薄片的振动特性，本章节将对数值计算过程中所涉及的流体域模型、网格划分技术、数值计算方法、控制方程、湍流模型的选择以及边界条件的设定等作详细的介绍。

流固耦合是多场耦合问题在科学问题和工程问题中的应用之一（见图）。其中，CFD 为计算流体动力学，CSD 为计算固体力学，CTD 为计算热力学。流固耦合的控制方程由流场的控制方程和结构场或其他物理场的控制方程组成。其数值求解方法主要有两种，包括直接耦合解法和分离解法。直接耦合式解法同时求解流固的控制方程，不存在时间滞后问题，所以直接法在理论上是非常先进和理想的。但在实际应用中直接法很难将现有的CFD 和CSM 技术真正结合到一起，同时考虑到同步求解的收敛难度和耗时问题，直接法目前主要应用于如压电材料模拟等电磁-结构耦合和热-结构耦合等简单问题中，对流动和结构的耦合只能应用于一些非常简单的研究中，还没有在工业应用中发挥重要的实际应用。与之相反，流固耦合的分离式解法不需要耦合求解所有流固控制方程，而是按照设定的顺序在同一求解器或不同的求解器中分别求解流体控制方程和固体控制方程，通过流固交界面把流体域和固体域的计算结果相互交换传递。待此时刻的收敛达到要求，进行下一时刻的计算，依次而行求得最终结果。相较于直接耦合式解法，分离式解法有时间滞后和耦合面上的能量不完全守恒的缺点，但是这种方法的优点也是显而易见的，它能最大化地利用已有计算流体力学和计算固体力学的方法和程序，只需对它们做少许修改，从而保持程序的模块化；另外分离解法对内存的要求大幅降低，因此可以用来求解实际应用中的大规模问题。目前几乎所有可用于工程计算的成熟商业流固耦合软件均采用分离式解法。所以本课题也采用分离式解法来进行流固耦合求解。

由于流动特性的要求，本次模拟采用范围更广，精度更高的双向流固耦合模拟策略。计算过程如图所示。

目前可用于流固耦合计算的商业软件组合主要有两类。一类耦合计算方案是

早期提出的基于第三方耦合代码MpCCI 接口的耦合计算软件组合。MpCCI 软件是国际公认的多物理场耦合工具，具有先进而可靠的耦合和插值算法，目前MpCCI与多种经过工业验证的主流仿真代码有直接接口，同时也可实现与用户专有程序与其它通用程序的耦合，可以实现多达4 个物理场的耦合，并且可以实现时间异步求解，使瞬态问题的求解速度有所提高。但该耦合方案最大的缺点是需要第三方耦合代码MpCCI 与流场和结构场计算软件直接的匹配。经常存在不同软件之间的版本不匹配的问题。需要多次安装不同的软件包，由于MpCCI 面向的是多物理场耦合，不是只专注于流固耦合，所以相比于ANSYS Workbench 在流固耦合计算的设置和计算过程的监测控制等方面都比较繁琐，界面不友好。另一类是近年来发展起来的基于 ANSYS Workbench 集成平台的ANSYS 系列软件之间的流固耦合计算方法，这类耦合计算方法的最大好处是不需要第三方软件，利用ANSYS 系列内部软件就可完成流固耦合计算。目前ANSYS Workbench可以通过System Coupling 耦合模块之间实现通用流场计算软件和结构场计算软件之间耦合计算，耦合计算模块设置简单方便，耦合计算过程中的监测控制与可以随时动态修改，界面非常友好。而且ANSYS Workbench 集成平台既可以实现ANSYS 系列软件内部的各种多物理场耦合，还可以实现和ANSYS 系列之外的软件之间的耦合。ANSYS 系列软件相比MpCCI 耦合方案软件的安装要方便得多。在ANSYS Workbench 一个集成平台下可以完成实现数值计算的全部流程包括前处理、耦合计算和后处理。所以ANSYS Workbench 上课以提供一个高度集成的耦合数值计算环境。尽管ANASYS Workbench 的System Coupling 流固耦合模块不支持时间异步求解，但对于大多数常规结构尺寸的结构体来说，结构场的计算网格数量和收敛性相对于非线性的流体动力学方程组求解计算的网格数量和收敛性要少和容易得多。本次验证研究的单圆柱绕流属于常规的结构尺寸的结构体，影响其耦合计算效率的主导因素是流场的求解速度。因而没有必要选用MpCCI耦合方案，而应选用综合性能较好的ANASYS Workbench 耦合方案。

对于 ANASYS Workbench 流固耦合方案中的结构场计算软件选用ANSYS 系列内部的Mechanical 结构模块是最为方便的。而对于流场计算软件的选择，主要有FLUENT 和CFX 两种选择。考虑到CFX 采用的是全隐式耦合算法，收敛性好但流场计算比较耗时，一般是用于叶轮机械仿真，其通用性和灵活性不如FLUENT。而FLUENT 软件基于有限体积法，流场求解结果守恒性好，而且FLUENT 软件中具有更加丰富的物理模型和求解算法可供用户选择，总体来说在流场计算领域FLUENT 软件表现出更高的灵活性和通用性。由于FLUENT 流体软件的计算成本更经济，并且其成熟的动网格算法能较好地解决计算域的大变形问题，因此常被选为流场计算软件。

综合上述分析论证，最终选用基于 ANASYS Workbench 集成平台的System

Coupling 模块来实现FLUENT 和Mechanical 之间的耦合计算的流致振动流固耦合数值模拟技术方案，搭建如图所示的流固耦合计算平台。通过该流致振动流固耦合计算平台，实现薄片三维结构与流体之间的双向流固耦合计算，得到薄片三维结构的流致振动响应特性（振幅、频率、应力、应变、脉动压力等）。

2.3.1 流体域网格划分

流体域网格生成在ICEM CFD 18.1中完成，均采用六面体结构化网格进行划分，如图所示。初始边界层厚度为0.03mm，增长率为1.2，边界层节点数为84，总节点数为38万，网格总数57万网格质量均在0.75以上，还可以再高，这样计算精度也会改善。

2.3.2 固体域网格划分

与流体动力学计算的有限体积法不同，结构动力学计算采用有限元方法，将计算域离散成有限个单元，在每个节点求解刚度矩阵来得到解，对网格要求较低，且收敛快，计算简单。故采用Mechnical自带网格划分模块进行固体计算域离散。目前还发现可以将ICEM划分的网格也导入Structural中，直接使用。

动网格适用于模型中有运动边界的情况，即模拟流场中流域边界随时间运动而导致流域变化的流场。动网格模型已应用在阀门启闭过程，泵、压缩机内部流场分析，翼型设计优化，流固耦合研究，气缸活塞运动计算，多体分离过程（如飞机投弹模拟）等领域。Fluent动网格中，网格重构方式分为：Smoothing，Layering和Remeshing三种方式。

（1）Smoothing（光顺法）：光顺法分为弹簧光顺与扩散光顺，适用于小变形和小运动情况，默认情况下，只支持三角形网格和四面体网格。

（2）Layering（动态铺层法）：主要用于棱柱网格区域（如六面体网格、三棱柱网格等）或四边形网格中，通过使用动态层法增加或去除与运动边界相邻的单元网格层数，来实现网格运动。

（3）Remeshing（重构法）：将超出网格偏斜度或尺寸标准的网格收集起来，并在这些网格或面上局部进行网格重构，若新网格单元质量达到网格质量标准，则进行网格重构，否则，新网格将会被丢弃。重构方式主要包括：局部单元重构、局部区域重构、局部面重构（只用于3D）、面域重构、cutcell域重构（仅3D）以及2.5D面重构（3D中）。

如何避免由于边界运动导致计算域网格质量严重恶化，是动网格计算过程中的一大难点。在实际应用中，常常由于动网格更新过程出现意想不到的网格变形，导致网格质量下降，最终计算被迫停止，因此需要大量的人为调试参数，来选取合适的网格重构控制参数。考虑到在本课题中，圆柱位移较小，且存在多个方向的位移分量，故使用smoothing中的扩散光顺法，既可以保证边界层计算精度，又能保证不出现负体积网格。

3.1 边界条件设置

进口速度为0.02m/s，出口用outflow，相对压力给定为0Pa。在左侧设置了速度入口边界条件，周围两个面及上下两个面定义为无摩擦无滑移壁面。管外表面和薄片壁面定义为光滑无滑移边界条件，粗糙度设置为0.6。设定流固耦合壁面为System Couple 类型，理想网格高度设置为边界层网格高度，设定所有网格均参与光顺如图所示。

3.2 求解设置

湍流模型选用LES，采用SIMPLEC 算法实现对流场压力和速度的耦合求解，控制方程的压力项离散方式采用二阶迎风格式（如图3.2所示）。为了确保非线性方程求解的收敛性和稳定性，所有物理量的收敛残差设为 。

3.2 动网格设置

采用扩散光顺的方式进行网格变形运动控制，如图所示，并调整扩散系数，使其达到边界网格移动，保证壁面边界层以及提高动网格计算精度。

3.3 Mechanical 中固体变形的计算方案

固体域的创建在UG软件中完成，再将模型传入Mechanical 中进行网格划分、约束和载荷等边界条件的设置，其中圆柱为固定约束，薄片各面设置为流固耦合交界面，来自流体计算域的动压力将通过耦合面插值方式传递至此，具体设置如图所示。监测薄片不同部位的位移，以便于提取振形及位移数据进行分析。

3.4 双向流固耦合设置

根据涡脱落频率估算并设置求解时间步长，建立双向数据传递通道，并规定求解次序。首先通过采用FLUENT中的扩散光顺的网格技术来求解在固体变形作用下的动边界流体域中的压力场分布，求解收敛后，将流场计算得到的壁面压力分布载荷施加到固体表面上，通过Mechanical 模块求解薄片的固体结构的瞬态动力学响应，之后再将固体结构的位移变形传递给流场计算软件进行流场计算，如此往复，依次迭代进行，通过流固耦合面的双向数据传递实现真正意义的流固耦合计算。具体设置，如图3.5所示。

如图所示，出现了典型的涡的生成、发展、脱落的过程，逐渐发展成两排周期性摆动和交错脱落的漩涡，并保持层流态，称之为卡门涡阶。此种由于粘性流体通过柱状结构物时，结构物尾部会产生一定规律的漩涡，在结构物表面产生一个作用力，而导致的尾涡，是流致振动的一个重要因素。

4.1.3 涡量分布

作为算例，计算时间较短，只是为了验证设置合理性。

之前很多人让我推荐一些学习用的书籍，以下是我学习期间觉得很有用的书：