流固耦合(Fluid-solid interaction,FSI)計算,通常用于考慮流體與固體間存在強烈的相互作用時,對流體流場與固體應力應變的考察。FSI計算按數據傳遞方式可分兩類:單向耦合與雙向耦合。所謂單向耦合,主要是指數據只從流體計算傳遞壓力到固體,或者只從固體計算傳遞網格節點位移到流體。雙向耦合則在每一時刻都同時向對方發送相應的物理量(流體計算發送壓力數據,固體計算發送位移數據)。

ANSYS Workbench中可以利用Fluent與DS進行單向流固耦合計算。我們這里來舉一個最簡單的單向耦合例子:風吹擋板。我們假定擋板位移可忽略不計,固體變形對流場影響可以忽略,所考慮的是流體壓力作用在固體上,固體的應力分布。當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 計算工程關系

圖2 進入DM建模

2、進入Fluent中的DM進行模型創建,如圖2所示。

流固耦合計算中的幾何模型與單純的流體模型或固體模型不同,它要求同時具有流體和固體模型,而且流體計算中只能有流體模型,固體計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入,所以我們保留固體與流體模型

圖3 實體模型

圖4 固體模型

圖5 流體模型

3、進入FLUENT網格設置。

在FLUENT工程視圖中的Mesh上點擊右鍵,選擇Edit…,如圖6所示,進入網格劃分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 進入網格劃分

圖7 禁用固體模型

4、設置網格方法。

我們采用ICEM CFD進行網格劃分,具體方法參看上一篇博客。設置方式如圖8所示,ICEM CFD中的網格如圖9所示。

圖8 設置網格劃分方式

圖9 最終生成網格

5、在meshing中更新網格

關閉icem cfd后自動回到model界面。我們在mesh上點擊右鍵,選擇update進行更新。更新后網格如圖10所示。

圖10 meshing中的網格

圖11 進入fluent

6、進入fluent

關閉mesh,回到fluent工程窗口,右鍵點擊setup,選擇edit…,進入fluent。這里流體計算參數就不一詳說了。模型很簡單,這里設置入口速度3m/s,出口壓力0Pa,采用k-e湍流模型。計算完后查看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、關閉fluent,進入Static Structure的model,如圖14所示。注意geometry樹形節點上,禁用流體區域以及外殼固體區域。之所以禁用外殼固體區域,因為流體對其影響可以忽略,為節省計算開銷。

圖14 禁用流體區域圖

15 選擇手里面以及CFD中相對于的面

8、導入流體載荷

如圖16所示,插入流體載荷,并如圖15所示進行屬性設置。我們可以查看導入的 流體載荷,如圖17所示。

圖16 插入流體載荷

9、設置固體約束

約束底面為fixed,進行計算。計算結果如圖18所示。

圖17 顯示導入的流體載荷

圖18 應力計算結果

10、總結

單向耦合計算思路很簡單,就是先算流體,然后將流體壓力作為載荷施加到固體上。這次的例子是從流體到固體,其實我們也可以計算由于固體變形導致流體流場變化的。只是要涉及到瞬態計算,設置上可能要麻煩一些。