浅谈流固耦合:几个基础问题及解决相关问题的软件

2016-09-20  by:CAE仿真在线  来源:互联网

编者按:本文发表于若干年前,但是其中涉及的基础问题仍然具有很好的借鉴意义。文章来自于网络,作者为某论坛版主,但百度检索未能找到其原始出处,故未能标明出处和作者,望见谅!

作为流流合版块的版主,我感到惭愧。因为我几乎就没真正应用流固耦合做过工程。第一次应用流固耦合还要追溯到做硕士毕业论文的时候,当时做的是高压水射流切割,属于一个大课题中的小项,主要用的软件是fluent。


但是利用fluent是没办法计算射流的切割效果的,流体软件只能计算流场参数(压力、速度、温度等),对于应力计算实在是力不从心。我不知道导师是从哪里听来的风声,说让使用mpcci将fluent与abaqus耦合计算固体变形乃至断裂。当时也是初生牛犊不怕虎,老师说用那就用呗,于是开始关注固体计算,关注abaqus,关注mpcci。然而现实是残酷的,流体与固体采用不同的计算网格(流体用欧拉网格,固体采用拉格朗日网格),对于断裂的问题,单纯采用abaqus勉强可算,然而耦合上流体之后,通常计算会以出现负体积而告终。


多次的失败终于磨灭了导师的耐心,于是项目转而采用LS-DYNA的ALE进行解决,而我的毕业论文,则彻底的舍弃了这一部分。搞射流的自然离不开喷嘴的设计,在研究射流喷嘴结构在高压流体作用下的材料行为,于是又涉及到了流固耦合问题,这次很幸运,虽然压力很高,然而压差并不大,喷嘴的变形处于弹性小变形阶段,我采用workbench中的CFX+ANSYS mechanic圆满的完成了任务,计算的是双向流固耦合,虽然到现在也不敢去评判计算结果的准确性,但好歹也是计算完毕,顺利的通过了毕业答辩。


说起流固耦合,其实包含的范围很宽。我们做流体,其实就包含了流场、温度场、组分场等的计算。


流固耦合包含的以下几类问题:

(1) 单向流固耦合。通常是忽略固体变形对流场的影响。


(2) 双向流固耦合。考虑流场对固体变形的影响,同时也要考虑固体形变对流场的影响。计算量很大,而且很难收敛。


(3) 热应力计算。这个主要是温度与结构的耦合。计算结构在温度变化影响下的应力应变分布。


流固耦合计算量相当大,主要是因为固体计算对内存的消耗很大。因此在工程上,若不是特别需要的话,尽量少用流固耦合,能用单向耦合计算的尽量不用双向耦合,能不用耦合的尽量不用。因为计算资源要求太高,必然导致网格数量的下降,导致计算精度的降低。


那么什么时候需要用流固耦合呢? 

(1) 流体与固体耦合非常强烈时。如风中飘动的红旗。这通常是由于固体刚度比较小,变形比较大的原因所引起。 


(2) 对于一些涉及到考虑流场中的固体应力计算问题,通常要采用流固耦合方法。


流固耦合计算的数据传递方式及传递物理量:

(1) 对于单向耦合,通常传递的物理量为压力。实际上是将流体计算的压力当作载荷加载在固体上,计算固体的应力应变。 


(2) 双向耦合问题,通常在每一步都需要传递数据,流体计算传递的数据为压力,固体求解器所传递的数据为节点位移。这样在每一次迭代后更新固体载荷与流场情况。


强耦合与弱耦合的问题:

强耦合主要是指将固体与流体计算所需的物理量耦合在一个大系统中进行求解,目前还没有任何软件能解决强耦合问题。而弱耦合则是流场与固体变形分别计算,只是在不同求解器间传递数据,当前几乎所有流固耦合问题求解器都只能求解弱耦合问题。


能解决流固耦合问题的软件:

ADINA:能在一个软件中解决流固耦合问题,包含有流场求解与固体求模块,非线性求解能力很强,综合能力也不错。只是前处理功能弱一些。 


CFX+Mechanic:ANSYS  workbench中位移能求解双向耦合的组合,受mechanic求解非线性能力的限制,对于大变形强非线性问题,求解经常出错。此组合亦可求解单向耦合。 


FLUENT+Mechanic:此组合只能求解单向耦合问题。先算流场,将压力数据导入只mechanic计算应力。 


MPCCI:相当于一个数据转发平台,能耦合很多求解器,如fluent+abaqus,应当说是最专业的流固耦合平台。 


comsol:据说是专业的多物理场计算软件,具体没用过,不好说。 


abaqus:专长在于固体计算,但是自从6.10版之后添加了CFD模块,没用过,不知道能力如何,不过对于abaqus公司的研发能力应当值得期待。 star ccm+:这个软件很有意思,里头包含了一个利用FVM计算固体应力的模块,看了例子,不知道计算准不准确。  




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