在這篇文章中，小編將為大家?guī)?lái)流固耦合的相關(guān)報(bào)道。如果你對(duì)本文即將要講解的內(nèi)容存在一定興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、流固耦合是什么意思

流固耦合的數(shù)值求解方法在過(guò)去數(shù)十年間取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，并已經(jīng)成為研究領(lǐng)域最熱門(mén)的主題之一。耦合求解過(guò)程的核心是計(jì)算帶有移動(dòng)邊界和移動(dòng)網(wǎng)格的非定常流動(dòng)問(wèn)題，這是因?yàn)榱鲃?dòng)域的大小和形狀隨著結(jié)構(gòu)的移動(dòng)或變形在不斷變化著。同時(shí)，正由于耦合系統(tǒng)中混合了線性和非線性問(wèn)題，存在了對(duì)稱和非對(duì)稱矩陣，包括了顯性和隱性的耦合機(jī)理，并且出現(xiàn)了物理不穩(wěn)定條件，使得耦合問(wèn)題求解十分困難。根據(jù)不同的耦合邊界處理方法，流固耦合求解方法主要分為兩類：浸入邊界法(Immersed Boundary Method)和動(dòng)邊界法(Moving Boundary Method)。

流固耦合問(wèn)題的研究歷史可追溯到19世紀(jì)初，人們對(duì)于流固耦合現(xiàn)象的早期認(rèn)識(shí)源于機(jī)翼及葉片的氣動(dòng)彈性問(wèn)題。氣動(dòng)彈性是研究氣動(dòng)力對(duì)固體的作用以及固體對(duì)流場(chǎng)的反作用的一門(mén)科學(xué)，核心內(nèi)容就是氣流激振問(wèn)題。彈性體的葉片在氣動(dòng)力作用下形成氣彈耦合的振動(dòng)，當(dāng)葉片在振動(dòng)位移過(guò)程中，從氣流中吸收的能量大于阻尼功時(shí)，振動(dòng)加劇，顫振發(fā)作，也就是通常所說(shuō)的失速顫振。葉片顫振涉及氣動(dòng)力特性和葉片固體動(dòng)力特性，葉片顫振的發(fā)生與其工作狀態(tài)有關(guān)。失速顫振發(fā)生時(shí)，大幅的劇烈振動(dòng)會(huì)使葉片在短時(shí)間內(nèi)裂斷，后果極為嚴(yán)重。此外，流固耦合問(wèn)題還在很多工程技術(shù)領(lǐng)域得到了研究，例如渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)、海岸海洋工程、高層建筑工程、流體管路輸送以及人體動(dòng)脈流動(dòng)等‘”，而這些工程領(lǐng)域的共同特點(diǎn)就是流體載荷對(duì)彈性結(jié)構(gòu)的影響十分重要。

流固耦合作用是自然界客觀存在的一種特殊現(xiàn)象，是指流體與固體之間的相互作用。流固耦合現(xiàn)象在自然界隨處可見(jiàn)，在臺(tái)風(fēng)中劇烈彎曲的棕櫚樹(shù)就是一個(gè)流固耦合現(xiàn)象的例子，臺(tái)風(fēng)的劇烈載荷作用在棕櫚樹(shù)上使得樹(shù)發(fā)生了明顯搖擺，同時(shí)彎曲變形的棕櫚樹(shù)也在改變它周圍的氣流流動(dòng)情況。在一般情況下，棕櫚樹(shù)的耦合變形對(duì)流動(dòng)的影響不是決定性的，并不會(huì)給耦合系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的后果。然而，當(dāng)耦合效應(yīng)下作用在結(jié)構(gòu)上的流體載荷力與結(jié)構(gòu)的固有頻率非常接近的時(shí)候，流體和固體組成的耦合系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生共振，產(chǎn)生災(zāi)難性后果。最典型的例子莫過(guò)于1940年11月發(fā)生在美國(guó)華盛頓州塔科馬海峽的吊橋(Tacoma—NarrowsBridge)崩塌事故。從技術(shù)角度分析，大橋與風(fēng)場(chǎng)組成了耦合系統(tǒng)，耦合狀態(tài)下風(fēng)流場(chǎng)產(chǎn)生了一定頻率的特殊卡門(mén)渦脫落現(xiàn)象，而這個(gè)頻率與耦合系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)固有頻率相近，因此系統(tǒng)發(fā)生了共振，使得大橋劇烈晃動(dòng)直至崩塌。

二、流固耦合求解方法

流固耦合問(wèn)題分析根據(jù)流體域和固體域之間物理場(chǎng)耦合程度的不同，可分為強(qiáng)耦合和弱耦合，對(duì)應(yīng)的求解方法分別為直接解法和分離解法。直接解法通過(guò)將流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)的控制方程耦合到同一方程矩陣中求解，即在同一求解器中同時(shí)求解流固控制方程，理論上非常先進(jìn)，適用于大固體變形、生物隔膜運(yùn)動(dòng)等。但在實(shí)際應(yīng)用中，直接法很難將現(xiàn)有的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和計(jì)算固體力學(xué)技術(shù)真正結(jié)合到一起。

另外，考慮到同步求解的收斂難度以及耗時(shí)問(wèn)題，直接解法目前主要應(yīng)用于模擬分析熱-結(jié)構(gòu)耦合和電磁-結(jié)構(gòu)耦合等簡(jiǎn)單問(wèn)題中，對(duì)于流體-結(jié)構(gòu)耦合只進(jìn)行了一些非常簡(jiǎn)單的研究，還難以應(yīng)用在實(shí)際工程問(wèn)題中。而弱流固耦合的分離解法是分別求解流體和固體的控制方程，通過(guò)流固耦合交界面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。該方法對(duì)計(jì)算機(jī)性能的需求大幅降低，可用來(lái)求解實(shí)際的大規(guī)模問(wèn)題。

目前的商業(yè)軟件中，流固耦合分析基本都采用分離解法。ANSYS很早便開(kāi)始進(jìn)行流固耦合的研究和應(yīng)用，目前ANSYS中的流固耦合分析算法和功能已相當(dāng)成熟，可以通過(guò)或者不通過(guò)第三方軟件(如MPCCI)實(shí)現(xiàn)ANSYS Mechanical APDL + CFX、ANSYS Mechanical APDL + FLUENT、ANSYS Mechanical + CFX 的流固耦合分析。

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