流固耦合(Fluid-solid interaction,FSI)計(jì)算,通常用于考慮流體與固體間存在強(qiáng)烈的相互作用時(shí),對(duì)流體流場(chǎng)與固體應(yīng)力應(yīng)變的考察。FSI計(jì)算按數(shù)據(jù)傳遞方式可分兩類(lèi):單向耦合與雙向耦合。所謂單向耦合,主要是指數(shù)據(jù)只從流體計(jì)算傳遞壓力到固體,或者只從固體計(jì)算傳遞網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位移到流體。雙向耦合則在每一時(shí)刻都同時(shí)向?qū)Ψ桨l(fā)送相應(yīng)的物理量(流體計(jì)算發(fā)送壓力數(shù)據(jù),固體計(jì)算發(fā)送位移數(shù)據(jù))。

ANSYS Workbench中可以利用Fluent與DS進(jìn)行單向流固耦合計(jì)算。我們這里來(lái)舉一個(gè)最簡(jiǎn)單的單向耦合例子:風(fēng)吹擋板。我們假定擋板位移可忽略不計(jì),固體變形對(duì)流場(chǎng)影響可以忽略,所考慮的是流體壓力作用在固體上,固體的應(yīng)力分布。當(dāng)然這里的壓力可以換成溫度等其他物理量。

1新建工程

注意是從Fluent →Static Structure。連接圖如1所示。

圖1 工程關(guān)系

圖2 進(jìn)入DM建模

2 DM創(chuàng)建模型

進(jìn)入Fluent中的DM進(jìn)行模型創(chuàng)建,如圖2所示。流固耦合計(jì)算中的幾何模型與單純的流體模型或固體模型不同,它要求同時(shí)具有流體和固體模型,而且流體計(jì)算中只能有流體模型,固體計(jì)算中只能有固體模型。建好后的模型如圖3,4,5所示。由于固體模型需要從這里導(dǎo)入,所以我們保留固體與流體模型。

圖3 實(shí)體模型

圖4 固體模型

圖5 流體模型

3進(jìn)入FLUENT網(wǎng)格設(shè)置

在FLUENT工程視圖中的Mesh上點(diǎn)擊右鍵,選擇Edit…,如圖6所示,進(jìn)入網(wǎng)格劃分meshing界面,如圖7所示。我們這里需要去掉固體部分,只保留流體幾何。

圖6 進(jìn)入網(wǎng)格劃分

圖7 禁用固體模型

4設(shè)置網(wǎng)格方法

我們采用ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分。設(shè)置方式如圖8所示,ICEM CFD中的網(wǎng)格如圖9所示。

圖8 設(shè)置網(wǎng)格劃分方式

圖9 最終生成網(wǎng)格

5在meshing中更新網(wǎng)格

關(guān)閉icem cfd后自動(dòng)回到model界面。我們?cè)趍esh上點(diǎn)擊右鍵,選擇update進(jìn)行更新。更新后網(wǎng)格如圖10所示。

圖10 meshing中的網(wǎng)格

圖11 進(jìn)入fluent

6進(jìn)入fluent

關(guān)閉mesh,回到fluent工程窗口,右鍵點(diǎn)擊setup,選擇edit…,進(jìn)入fluent。這里流體計(jì)算參數(shù)就不一詳說(shuō)了。模型很簡(jiǎn)單,這里設(shè)置入口速度3m/s,出口壓力0Pa,采用k-e湍流模型。計(jì)算完后查看fluid_interface面上壓力分布,如圖12所示。流線如圖13所示。

圖12 fluid_interface面上壓力分布

圖13 流線

7進(jìn)入Static Structure

關(guān)閉fluent,進(jìn)入Static Structure的model,如圖14所示。注意geometry樹(shù)形節(jié)點(diǎn)上,禁用流體區(qū)域以及外殼固體區(qū)域。之所以禁用外殼固體區(qū)域,因?yàn)榱黧w對(duì)其影響可以忽略,為節(jié)省計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)。

圖14 禁用流體區(qū)域

圖15 選擇手里面以及CFD中相對(duì)于的面

8導(dǎo)入流體載荷

如圖16所示,插入流體載荷,并如圖15所示進(jìn)行屬性設(shè)置。我們可以查看導(dǎo)入的流體載荷,如圖17所示。

圖16 插入流體載荷

9設(shè)置固體約束

約束底面為fixed,進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖18所示。

圖17 顯示導(dǎo)入的流體載荷

圖18 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

10總結(jié)

單向耦合計(jì)算思路很簡(jiǎn)單,就是先算流體,然后將流體壓力作為載荷施加到固體上。