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ANSYS流固耦合分析与工程实例 ANSYS流固耦合分析与工程实例 流固耦合分析基础1 近年来，流固耦合分析研究和应用取得了飞速的发展，尤其是?ANSYS?Workbench推广以 来，流固耦合分析变得容易起来，也因此很快在相关工程领域得到广泛应用。本章是学习?ANSYS?流固耦合分析的入门篇，旨在介绍?ANSYS?流固耦合分析的基本知识，引导初学者由 浅入深地了解流固耦合分析的基本操作和应用。 本章内容包括： ü 流固耦合基础 ü?ANSYS?流固耦合分析 ü?ANSYS?流固耦合分析的基本步骤 1.1 流固耦合基础 下面简单介绍什么是流固耦合作用、流固耦合分析，流固耦合的重要性，以及流固耦合分 析用到的控制方程。 1.1.1 认识流固耦合分析的重要性 随着计算科学以及数值分析方法的不断发展， 流固耦合或交互作用 （fluid structure?coupling?或?fluid?structure?interaction）研究从?20?世纪?80年代以来，受到了世界学术界和工业界的广泛 关注。流固耦合问题是流体力学（Computational?Fluid?Dynamics ，CFD ）与固体力学 （Computational?Solid?Mechanics ，CSM ）交叉而生成的一门力学分支，同时也是多学科或多 物理场研究的一个重要分支， 它是研究可变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流 场影响这二者相互作用的一门科学。 流固耦合问题可以理解为既涉及固体求解又涉及流体求解， 而两者又都不能被忽略的模拟 问题。因为同时考虑流体和结构特性，流固耦合可以有效节约分析时间和成本，同时保证结果 更接近于物理现象本身的规律。 所以， 近年来流固耦合分析在工程设计特别是虚拟设计和仿真 中的应用越来越广泛和深入。 图?1-1?显示了流固耦合分析在产品虚拟设计中的层次以及与各学科之间的相互联系。 整个 虚拟设计流程可以分为三阶段。 图1-1?虚拟设计流程以及流固耦合分析 第一阶段：样机设计阶段，主要是采用计算机辅助设计方法（CAD ）按产品定义进 行样机的结构设计。 l 第二阶段：样机虚拟实验和仿真阶段，主要是通过计算机辅助工程方法（CAE ）对初 始设计产品进行性能评估。依据各学科特性，进行的仿真分析主要有：计算流体力学 分析、计算固体力学分析、计算声学以及计算电磁学分析。其中把计算流体力学分析 和计算固体力学分析结合起来的分析简称为流固耦合分析。 l 第三阶段：样机加工阶段，主要采用计算机辅助加工方法和手段进行样机制造。 其中，如果在第二阶段发现样机性能不能满足设计要求，可以返回第一阶段，第三阶段如 果发现成品样机有问题，可以根据情况分别返回到第一阶段和第二阶段进行再开发和设计。 流固耦合研究和分析在众多领域，包括航空航天、水利、建筑、石油、化工、海洋以及生 物领域，有着十分重要的意义和应用前景。如石油行业中，地震作用下大型贮油罐振动与罐内 储备油晃动的相互影响；化工行业中，长管道由于流体流动诱发的振动情况；海洋领域中，海 洋石油平台在强波浪中的结构安全性能评估； 水利行业中， 水电工程中水轮机发电叶片与水流 的相互作用；生物领域中，心脑血管和血液流动的相互影响，如图?1-2所示；航空航天领域中， 飞机机翼绕流及颤振问题等都属于流固耦合作用问题，相应的分析都可归为流固耦合分析。 显然， 流固耦合作用自古以来便一直存在， 但是流固耦合分析以及其广泛应用是伴随着计l 2 算流体力学和计算固体力学的快速发展而产生和实现的。 所以要探究流固耦合的基本原理还需 要从计算流体力学和计算固体力学着手。 图1-2?典型的流固耦合分析：立柱在风载下大变形（左），心脑血管变形及血液流动（右） 1.1.2 流体控制方程 流体流动要遵循物理守恒定律，基本的守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律、能量 守恒定律。如果流体中包括混合的其他不同成分，系统还要遵循组分守恒定律。对于一般的可 压缩牛顿流来说守恒定律通过如下控制方程描述。 质量守恒方程： ? r f?+?×(r f?v?) = 0?（1-1） ? t 动量守恒方程： ? r f?v?+?×(rf vv -t f ) = f?f?（1-2） ?t 其中，t?表示时间，?f?f?是体积力矢量。?r f 是流体密度，v?是流体速度矢量，?t f 是剪切力 张量，可表示为： tf?=(-p +m?×v ) I +?2 m