流固耦合原理及其重要性

本文原刊登于Ansys Blog：《How Fluid-Structure Interaction Works and Why it’s Important》

作者：Marisa Melchiorre | Ansys产品营销经理

Steve Defibaugh | Ansys产品营销经理

1940年7月，塔科马海峡大桥（Tacoma Narrows Bridge）在华盛顿州西雅图的南部建成。该桥梁横跨吉格港与塔科马两地，是当时美国第三长的悬索桥。根据弹性分布设计，中等级别的风力会让这座海峡大桥有几英尺的起伏。然而，大桥的形状迫使空气在其结构上方和下方流动，导致流动分离和涡旋脱落。

1940年11月7日，强风引起桥体颤振，使桥主梁发生变形，导致大桥坍塌，设计中的空气动力学不稳定性引发了灾难。而如果在桥梁设计的时候考虑到流固耦合，则可以添加开放式桁架来支撑桥面，同时使风顺利地通过。

什么是流固耦合？

流固耦合（FSI）是流体流动与固体结构的相互作用。想象一下让涡轮叶片旋转起来的一阵风、在波浪中行驶的船体或急速掠过F1赛车前扰流板的气流。只要流体和结构相遇，就会发生流固耦合 (FSI)。

同时使用Ansys Fluent与Ansys Mechanical，可以仿真流固耦合，比如这面在风中飞舞的Ansys旗帜

FSI如何影响产品设计和性能？

了解FSI对于许多产品的设计至关重要。如果不考虑流体与固体之间的相互影响，则会导致产品性能估计不准确。这样，最终的产品设计可能会导致意料之外的结果，包括恼人的噪声和产品完全失效。

无论是设计桥梁、飞机还是燃气轮机，了解流固耦合如何影响您的项目至关重要，您需要一款能够准确预测和集成这两种行为的解决方案。

FSI的应用

飞机设计：当飞机飞行时，机翼周围的气流会导致机翼发生变形（这反过来又会改变空气流动的方式，使机翼发生更严重的变形）。解决机翼设计中的FSI问题可显著提高飞机的空气动力学性能。

血流建模：为了评估动脉瘤中血管堵塞的影响，FSI可说明血压和流速如何影响血管的收缩扩张能力和粗细变化。

声音预测：当气流经过汽车时，引擎盖和后视镜等表面会产生振动并将声音辐射到车内。通过解决这些FSI问题，工程师可调整设计，以降低噪声并提高乘客舒适度。

多物理场仿真在FSI中的作用

在FSI影响到产品之前，您就可以通过多物理场仿真进行预测和预防。

例如，如果您想了解湍流和压力变化如何影响水轮机的完整性，您的分析离不开Ansys Fluent和Ansys Mechanical仿真提供的数据。但是单独使用这些仿真，会发生难观全局的情况，只会表现局部的情况。不过，当他们通过Ansys Workbench进行集成时，您将能够最准确地预测这两种物理场会如何相互影响。

Workbench不仅可在仿真求解器之间自动交换数据，为您提供无缝的工作空间，而且还包含高级网格映射技术，可确保从计算流体动力学（CFD）到有限元分析（FEA）之间的精确数据转换，无需手动输入数据、编写代码或交换数据文件。更少的手动输入可显著减少错误，因为当您设置了CFD和FEA仿真后，只需拖放操作即可将所有内容都传输到同一空间中。

您需要执行单向还是双向FSI仿真？

建模方法因流体和固体之间的物理耦合程度以及所需的保真度而异。对于涉及刚体运和共轭传热的应用，可以忽略变形情况，并且完全在CFD求解器中高效解决该问题。

当必须考虑应力和变形问题时，流体和结构仿真可进行耦合，以便在求解器之间传输数据，用于单向或双向耦合仿真。

如何执行单向FSI仿真

通过直接链接CFD和FEA仿真，可在Workbench中轻松执行单向仿真。具体操作方法是，只需简单的拖放任务，即可自动连接仿真的几何结构和求解单元。

如何执行双向FSI仿真

通过将CFD和FEA仿真与系统耦合链接，可执行双向仿真。本视频介绍了如何在Fluent中创建单向仿真，并通过Workbench的Mechanical转换为双向仿真的过程。Workbench可创建简单直接的协同仿真，使得双向数据交换成为可能。

使用FSI进行预测和预防

FSI仿真通过预测流体流动和固体结构之间的相互作用，帮助工程师避免可能影响性能并导致产品故障的危害。

审核编辑：汤梓红