流固耦合

流固耦合

流固耦合力學是流體力學與固體力學交叉而生成的一門力學分支,它是研究變形固體在流場作用下的各種行為以及固體位形對流場影響這二者相互作用的一門科學。流固耦合力學的重要特徵是兩相介質之間的相互作用,變形固體在流體載荷作用下會產生變形或運動。變形或運動又反過來影響流體運動,從而改變流體載荷的分布和大小,正是這種相互作用將在不同條件下產生形形色色的流固耦合現象。

基本內容

流固耦合力學是流體力學與固體力學交叉而生成的一門力學分支。顧名思義,它是研究變形固體在流場作用下的各種行為以及固體位形對流場影響這二者互動作用的一門科學。流固耦合力學的重要特徵是兩相介質之間的互動作用(fluid-solid interaction):變形固體在流體載荷作用下會產生變形或運動,而變形或運動又反過來影響流場,從而改變流體載荷的分布和大小。 正是這種相互作用將在不同條件下產生形形色色的流固耦合現象。

​簡介

流固耦合流固耦合

流固耦合問題可由其耦合方程定義,這組方程的定義域同時有流體域與固體域。而未知變數含有描述流體現象的變數和含有描述固體現象的變數,一般而言具有以下兩點特徵:

1)流體域與固體域均不可單獨地求解

2)無法顯式地削去描述流體運動的獨立變數及描述固體現象的獨立變數

從總體上來看,流固耦合問題按其耦合機理可分為兩大類:

第一類問題的特徵是耦合作用僅僅發生在兩相交界面上,在方程上的耦合是由兩相耦合面上的平衡及協調來引入的如氣動彈性、水動彈性等。

第二類問題的特徵是兩域部分或全部重疊在一起,難以明顯地分開,使描述物理現象的方程,特別是本構方程需要針對具體的物理現象來建立,其耦合效應通過描述問題的微分方程來體現。

實際上流固耦合問題是場(流場與固體變形場)間的相互作用:場間不相互重疊與滲透其耦合作用通過界面力(包括多相流的相間作用力等...)起作用,若場間相互重疊與滲透其耦合作用通過建立不同與單相介質的本構方程等微分方程來實現。

求解方式

求解時有三種方式

1.兩場交叉疊代。2.直接全部同時求解。3.有限元求解。

流固耦合的數值計算問題,早期是從航空領域的氣動彈性問題開始的,這也就是通過界面耦合的情況,只要滿足耦合界面力平衡,界面相容就可以。

氣動彈性開始主要是考慮機翼的顫振邊界問題,計算採用簡化的氣動方程和結構動力學方程,從理論推導入手,建立耦合方程,這種方法求解相對容易,適應性也較窄。

現在由於數值計算方法,計算機技術的發展,整個的求解趨向於NS方程(納維-斯托克斯方程Navier-Stokes equations)與非線性結構動力學。一般使用疊代求解,也就是在流場,結構上分別求解,在各個時間步之間耦合疊代,收斂後再向前推進。好處就是各自領域內成熟的代碼稍作修改就可以套用。其中可能還要涉及一個動格線的問題,由於結構的變形,使得流場的計算域發生變化,要考慮流場格線隨時間變形以適應耦合界面的變形。

不過現在國外比較時髦的好像都在做系統性的設計問題,數值計算一般已經可以滿足需要。在數值計算的初步估計基礎上,通過降維模型(reduced order model) 可以很快的得到初步設計方案,再通過詳細的數值計算來驗證。

目前流固耦合做得比較好的軟體GDS Studio、COMSOL和ADINA。

流固耦合求解軟體

目前國內外流固耦合求解軟體不多,所幸國人出了一款GDS Studio的流固耦合分析軟體,採用有限元方法求解。下面是做的比較好的幾個流固耦合軟體。

GDS Studio GDS 核心處理程式使用了基於地下多物理場和化學物質傳播的耦合分析理論,並致力於採用對水-力-熱-氣-化-微生物(H - M - T - G - C - B)等多因素進行耦合分析的最新研究模型。利用有限元分析法對實際模型進行求解計算,可以分析處理多種類型的地學環境,並對其進行預測,以評估其安全性。

ANSYS WORKBENCHworkbench平台易於操作,並且功能強大,裡面綜合了Fluent CFX Ls-dyna等軟體,能輕鬆實現流固耦合

ADINA這個軟體包功能強大,計算效率高,有人說是算話比較好,但是這個軟體前後處理器實在是太爛了,劃分格線的功能不強,能導入的數據格式比較少,用起來比較費勁。

相關詞條

相關搜尋

熱門詞條

聯絡我們