基于adina热-流-固耦合建模过程
基于adina热-流-固耦合建模过程
2010-10-17 00:32:09 作者：党旭光，朱庆杰，刘峰，程雨来源：互联网
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https://www.sodocs.net/doc/9517242599.html,/CAE/Article81109_1.htm
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热-流-固耦合作用是存在高度非线性的复杂耦合作用。有关这三场的耦合作用研究在地石油工程、热资源开发、地下核废料存储安全、采矿工程等很多领域有着非常重要的应用价值。
由于研究对象的不同，热流固耦合模型的形式存在差异，建立符合实际问题的三场耦合模型十分困难，文中在国内外学者对三场耦合模型理论研究的进展状况的基础上，通过一个例子，介绍了用adina 建立模型的过程。
1三场耦合理论模式介绍
在三场耦合尤其是三场耦合机制的研究过程中，人们根据各自对三场耦合的认识提出了不同的三场耦合作用模式。1995年前有关三场耦合作用模式的研究在场与场之间的联系关系上主要是以速度等变量为桥梁，如HART、Jing提出的作用模式，其中Jing主要描述的核储存库三场耦合模式，后来作用模式发展为主体为物理现象，它们之间的相互联系是以场作用或物理作用为桥梁的，如Guvanas en、柴军瑞的作用模式，前者同样以核废料储库库围岩三场耦合作用研究为主，后者为一般模式。
Jing等描述了核废料贮库围岩裂隙岩体中的热-液-力耦合过程，如图1所示。Hart等提出了如图2所示的三场耦合作用模式。柴军瑞从岩体渗流-应力-温度三者两两之间的相互关系出发，建立了如图3的作用模式。图中：口渗透水流对岩体固相的力学作用，一般应用有效应力原理来反映;a’为应力引起裂隙岩体空隙率和渗透特性变化，目前有经验关系式(如Lours负指数关系式)和理论关系式(包括各种概化情况下和各种概化模型下的理论关系式)两大类表示方法;b为温度引起热应变(力)及与温度有关的岩体固相力学特性变化;b’为岩体固相力学变形引起热力学特性变化及岩体固相内部热耗散;c 为水流的热对流及与岩体固相的热交换;c’为温度势梯度引起水份运动及与温度有关的水特性变化。
图1裂隙岩体中的热液力耦合过程(据Jing等。1995年)
图2三场耦合模式(Hart)
图3渗流-应力-温度之间的相互关系图
2热流固耦合理论的提出
三场耦合理论是由流-固两场耦合理论发展而来的，在流-固耦合理论中，有的假设温度场是恒定的，或者是不考虑温度场的变化与流体流动、岩石变形间的耦合作用。但是，自然界中实际存在的流.固耦合系统的温度场一般都是变化的，尤其是大量存在着一些温度变化比较剧烈的流固耦合系统，比如地热利用系统、工程中的地下核废料储存处理系统、非等温煤层瓦斯渗流系统等，石油工业中的热力采油系统、高压注水采油系统等。对于这一类问题，若用流固耦合模型来模拟其中的渗流、变形、变温规律就不准确了，而应该考虑热流圃耦合模型。
所谓热-流-固耦合，是指在由流体、固体和变化温度场组成的系统中三者之问的相互影响，相互作用含物理作用和化学作用，热-流-固耦合问题是渗流、应力、温度三场同时存在时的基本问题。热-流-固耦合问题不仅仅是在流固耦合问题上附加一个体现温度变化的条件，而是将体现流体流动、固体变形、温度场变化的量如流体压力、固相质点位移、绝对温度同时视为基本变量，基本变量处于平等地位。在热-流-固耦合问题中，热效应与流体孔隙压力导致岩石变形岩石变形与流体渗流导致温度场变化岩石变形与热效应导致渗透特性和孔隙流体压力的改变从而影响流体渗流，以上3种效应是同时发生的。
3建模过程
如图4所示的由刚性壁面和柔性半球形穹顶围成的封闭空间，封闭空间内是空气，穹顶附近的空气受热引起自然对流。空气参数：，，，，k=
0.025W，m-℃，，，，V=O.33，，t=O.000 5 m，radius=0.025 m，k=204W/m-℃，。
图4模型物理条件
3.1模型的建立
几何模型采用ADINA—CFD建模方式如图5所示，取穹顶的1/4进行分析，采用对称边界条件：面1，2，5，6无滑动，7在y方向不流动，3在x方向不流动，l是0温度面，面4上加受热条件。
图5模型基本条件
3.2定义FSI和shell-thermal边界条件并调整网格图形变为
生成ADINA.CFD数据文件，保存ADINA.IN数据库。
3.3建立ADINA模型
黑色部分为FSI边界线
3.4运行ADINA-FsI，并显示后处理
显示速度，并旋转模型得到：
从上图中可以看出，穹顶壳附近的流体上升，零温度边界处的流体下降(由于自由网格的划分和平台有关，结果可能稍有不同)。
4结语
近些年来，由于其应用范围不断扩大，有关热-流-固耦合的研究已经取得了很多重要进展，主要应用有：①核废料地下贮存库的安全评估，②盐碱介质中盐水和气体的非等温渗流，③地热开发，特别是热干岩石中地热的开发，④深层油藏开发和热采，⑤土壤中非等温渗流，如地下贮存库中粘土缓冲区中耦合过程，冻土带路基中的耦合过程等。
有关热-流-固耦合问题，近年逐渐成为研究的热点之一，在工程中有很大的应用价值，尤其在石油开采领域的作用更为突出。
流固耦合应用研究进展
文章编号:1671-3559(2004)02-0123-04 收稿日期:2003-12-03 基金项目:山东省科学技术发展计划资助项目(012050107);山 东省自然科学基金资助项目(Y 2002F19) 作者简介:郭术义(1971-),男,山东济南人,山东大学机械工 程学院博士研究生。 流固耦合应用研究进展 郭术义,陈举华 (山东大学机械工程学院,山东济南250061) 摘 要:流固耦合力学是一门新兴学科。本文简要介绍了该学科的典型应用进展情况,总结了各种研究中的典型方程、数值解法,展望了进一步发展的趋势。关键词:流固耦合;数值模拟;展望中图分类号:O35112;O34717 文献标识码:A 流固耦合力学是一门比较新的力学边缘分支, 是流体力学与固体力学二者相互交叉而生成的。它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场的影响。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用:固体在流体动载荷作用下产生变形或运动,而固体的变形或运动又反过来影响到流场,从而改变流体载荷的分布和大小。总体上,流固耦合问题按耦合机理可分为两大类:一类的特征是流固耦合作用仅仅发生在流、固两相交界面上,在方程上耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的;另一类的特征是流、固两相部分或全部重叠在一起,耦合效用通过描述问题的微分方程来实现。本文就流固耦合问题的两大分类中三种基本情况进行了讨论。 1 流固耦合典型应用 流固耦合作用的研究在航空、航天、水利、建筑、石油、化工、海洋以及生物领域都有着十分重要的意义。如液体晃动对火箭飞行稳定性的影响,大型贮液管在地震激励作用下产生的流固耦合作用,液体湍振对输液管道的影响。本文就如下三个大方面进行了总结。1.1 输流管道流固耦合 流体引起输流管道振动的研究最初来源于横跨 阿拉伯输油管道振动的分析[1]。管道在众多的工业领域中应用十分广泛,作用极其重要。但是,在管道 内流体流动状态的微弱变化往往引起在工作过程中的湍振现象,诱发流体、管道之间的耦合振动,动力学行为相当复杂。这使得人们很早就开始了这方面的研究,Paidoussis M P [2]是其中最具有代表性的。输流管道的振动问题之所以能引起学者的兴趣,除因为该问题的广泛工业背景和现实意义之外,还因为输流管道虽然是最简单的流固耦合系统,但它却涉及了流固耦合的大多数问题,并且它的物理模型简单,系统比较容易实现,因而便于理论与试验的相互协同。 考虑因素侧重面的不同,输液管道非线性运动方程有几种类型[3-5],它们之间有一定的差别。它们的基本假设都是:流体无粘且不可压;管道作为梁模型来处理;管道只是在平面内振动。尽管输流管道的非线性动力问题受到50多年极为广泛的研究,但至今尚没有一个公认的模型。文[6]建立的4个独立变量(轴向位移、横向位移、流速和压力)的全耦合模型(耦合形式包含摩擦耦合、P oiss on 耦合、结合部耦合以及管道轴向和横向运动的耦合)在众多的非线性分析模型中是一个较为完整的模型。 m ¨u +m f [ υf (1+u ′)+2υf u ′+υ2 f u ″+ ωυ′f ]+ P (υf + u )/c 2F -[(1-2υ)P (1+u ′)]′+4f ρf ρ′?υ2f /DK -gm f (1-2υ)(1+u ′)ω′-EI (7ω″ω +ω′ ω )-E A p (2u ″+6u ′u ″+2ω′ω″ )/2=0(1)m ¨ω+m f [ υf (1+ω′)+2υf ω′+υ2f u ″+ω″υ2 f ]+ P (υf + ω)/c 2F -[(1-2υ)P ω′]′-gm +EI ω″″-EI (u ′ω′+6u ″ω +4u ′ω ′)-E A p (u ″ω′+u ′ω″ )=0(2) P /c 2F +m f [(1-2υ)( u +υf )u ″- u ′+υ′f ]-m f (1-2υ)( u ′+u ′ u ′+ω′ ω′ )=0(3)P ′+m f (¨u + υf )+m f ¨ωω′+gm f ω′+Df ρf υ2 f /2=0 (4)随着对输流管道问题研究的深入,各种不同的 分析计算方法也相继被提出。其中有限元法(FE M ) 第18卷第2期2004年6月 济南大学学报(自然科学版) JOURNA L OF J I NAN UNI VERSITY (Sci.&T ech 1) V ol.18 N o.2 Jun.2004
ANSYS流固耦合计算实例
ANSYS流固耦合计算实例 Oscillating Plate with Two-Way Fluid-Structure Interaction Introduction This tutorial includes: , Features , Overview of the Problem to Solve , Setting up the Solid Physics in Simulation (ANSYS Workbench) , Setting up the Fluid Physics and ANSYS Multi-field Settings in ANSYS CFX-Pre , Obtaining a Solution using ANSYS CFX-Solver Manager , Viewing Results in ANSYS CFX-Post If this is the first tutorial you are working with, it is important to review the following topics before beginning: , Setting the Working Directory , Changing the Display Colors Unless you plan on running a session file, you should copy the sample files used in this tutorial from the installation folder for your software (
ADINA流固耦合建模方法
ADINA流固耦合建模方法 尽量采用几何模型做为最初的模型信息输入，而不是单元和网格； ?所有的载荷、边界条件、初始条件施加在几何模型上，而不是节点或单元上面；将流固耦合等边界条件定义在单元上的工作量要远大于几何元素的情况； ?结构模型和流体模型分布建立；结构模型可以包括ADINA Structure模块提供的所有特性；流体模型包括ADINA-Fluid所有特性；ADINA提供了各种流体专用网格生成方法；将结构模型和流体模型分别以dat文件的形式写出；同时将两个dat问题提交给ADINA-FSI求解器进行求解； ?后处理中可以同时或者分开查看结果； 原则：绝不能包含无关紧要的模型细节； ?用正确的边界条件（或其它手段）补偿截断的流场空间；例如没有包括模拟障碍物后面的回流区，需要延长下游流场空间；如果不能包括足够大的流场空间，则需要采用瞬态方式进行求解； ?当结构小到不能影响主要流场特性时，尽量抹除。 一个模型存在错误的原因可能非常多，此时将无法判断从什么方面进行模型的修正。从节省时间的角度，应该按照下面的进行模型测试过程： 1. 用的你经验或者试验现象分析模型，确定2D/3D?有无可简化部分？可压缩性？技术难点或者无法把握的问题？数值稳定性、存储空间、CPU占用时间的估计； 2. 如可能，用简化模型先测试。例如采用3D模型前先采用2D模型计算； 3. 采用粗网格并使用能使模型快速求解的材料数据和载荷（例如，高粘度值，低速度，低压力，放松收敛精度等）。此测试是确认模型具有合理性。一旦模型出现问题，可以很快查出原因； 4. 如果出现错误，可以查看*.out and *.log文件中的信息； 5. 采用细网格通常更容易收敛；也有可能出现截断误差带来的影响，这样可以通过增大迭代次数、减小载荷增量、使用CFL数获得收敛。 5. 在进行流固耦合计算前，首先分别测试结构模型和流场计算模型； 结构模型测试－在FSI边界施加相当于流体作用的压力； 流体模型测试－将流固耦合边界定义为Wall或者移动的Wall；
ansys workbench 流固耦合计算实例
Oscillating Plate with Two-Way Fluid-Structure Interaction Introduction This tutorial includes: ?Features ?Overview of the Problem to Solve ?Setting up the Solid Physics in Simulation (ANSYS Workbench) ?Setting up the Fluid Physics and ANSYS Multi-field Settings in ANSYS CFX-Pre ?Obtaining a Solution using ANSYS CFX-Solver Manager ?Viewing Results in ANSYS CFX-Post If this is the first tutorial you are working with, it is important to review the following topics before beginning: ?Setting the Working Directory ?Changing the Display Colors Unless you plan on running a session file, you should copy the sample files used in this tutorial from the installation folder for your software (
(完整版)流固耦合教学
1、打开ANSYS Workbench, 拖动各模块到空白区，并照此连接各模块。 2 2、打开第一个模块当中的Geometry，建立几何模型： （1）在XY Plane内建立Ship Shell 船长：0.4、船宽：0.14、型深0.11 将第一个Solid重命名为Ship Solid 在Concept中选择Surfaces From Faces，选中模型的六个面，然后Apply、Generate。 重命名第二个Ship Solid为Ship Shell 右击Ship Solid, 选择Hide Body，显示Ship Shell, 然后对Ship Shell执行同样操作（即隐去）
（2）在YZ Plane内建立液舱 单击（New Plane），选择YZ plane，，Apply一下 将YZ Plane 向X正方（图中为法向，即Z）向偏移0.02m Generate一下，然后Show body 一下Ship Solid 与Ship Shell 可以看到YZ Plane已平移到Body内了 再将Ship Solid 与Ship Shell 都Hide，选择Plane 4，调为正视，Generate一下 新建一个Sketch：单击，显示，在此Sketch中建立液舱模型草图
单击约束（Constrains），将草图中的“水平线”调整为水平，“垂直线”调整为垂直： 事实上仅用Horizontal（水平）和Vertical（垂直）就OK了。以水平约束为例，先单击Horizontal，再依次单击草图中的水平线段。调整后如下图所示： 定义尺寸： 左下角空缺的部分是预留贴“应变片”的部分，需要单独建模 单击Extrude（拉伸），设置Operation（下拉列表中改选为Add Frozen）与拉伸尺寸（0.1m）： 然后Generate一下
流固耦合概述及应用研究进展
流固耦合概述及应用研究进展 摘要 流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支。顾名思义，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用(fluid．solid interaction)：变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。总体上 , 流固耦合问题按耦合机理可分为两大类:一类的特征是流固耦合作用仅仅发生在流、固两相交界面上 ,在方程上耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的;另一类的特征是流、固两相部分或全部重叠在一起 ,耦合效用通过描述问题的微分方程来实现。 1 流固耦合概述 1．1引言 历史上，人们对流固耦合现象的早期认识源于飞机工程中的气动弹性问题。Wright兄弟和其它航空先驱者都曾遇到过气动弹性问题。直到1939年二战前夕，由于飞机工业的迅猛发展，大量出现的飞机气动弹性问题的需要，有一大批科学家和工程师投入这一问题的研究。从而，气动弹性力学开始发展成为一门独立的力学分支。如果将与飞机颤振密切相关的气动弹性研究作为流固耦合的第一次高潮的话，则与风激振动及化工容器密切相关的研究可作为流固耦合研究的第二次高潮。 事实上，从美国ASME应用力学部召开的历次流固耦合研讨会上可以看出，流固耦合问题涉及到很多方面。比如：空中爆炸及响应，噪声相互作用问题，气动弹性，水弹性问题，充液结构内的爆炸分析，管道中的水锤效应，充液容器的晃动及毛细流中血细胞的变形，沉浸结构的瞬态运动，流固相互冲击，板的颤振及流体引起的振动，圆柱由于热交换引起支持附件松动的非线性流固耦合系统，声音与结构的相互作用，涡流与结构的相互作用，机械工程中的机械气动弹性问题等等。 1.2流固耦合力学定义和特点 流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的--I'l力学分支。顾名思义，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用（fluid-solid interaction)．变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。流固耦合问题可由其耦合方程来定义，这组方程的定义域同时有流体域与固体域，而未知变量含有描述流体现象的变量及描述固体现象的变量，一般而言，具有以下两点特征： a)流体域或固体域均不可能单独地求解； b)无法显式地消去描述流体运动的独立变量或描述固体运动的独立变量。 1．3流固耦合力学涉及领域及分类 流固耦合问题涉及到很多方面。比如：工程实际中所涉及到的流固耦合问题，
基于MpCCI的Abaqus和Fluent流固耦合案例1
CAE联盟论坛精品讲座系列 基于MpCCI的Abaqus和Fluent流固耦合案例 主讲人：mafuyin CAE联盟论坛总监 摘要：通过MpCCI流固耦合接口程序，对某薄壁管道流动中的传热过程进行了Abaqus和Fluent相结合的流固耦合仿真分析。信息介绍了从建模、设置到求解计算和后处理的全过程，对相关研究人员具有参考意义。 1 分析模型 用三维建模软件solidworks建立了一个管径为1m的弯管，结构尺寸如图1a所示，管的结构如图1b所示，流体的模型如图1c所示。值得注意的是，由于拓扑特征的原因，这样的管壁模型无法通过对圆环扫略直接生成，而需先通过对大圆的扫略生成实心的模型(类似于流体模型)，然后进行抽壳得到管壁的模型。用同样的方法对大圆半径减去管壁厚度的圆进行扫略得到流体模型。 a. 尺寸关系 b. 管壁结构 c. 流体模型 图1. 几何模型示意图 图2. 流固耦合传热分析模型示意图 内壁面(耦合面) 速度入口 v=6m/s; T in=600K 外壁面 压力出口 P=0Pa；T out=300K
由于管壁结构和流体的热学行为不同，传热系数等都不一样，所以属于典型的流固耦合传热问题，热学模型如图2所示。即管的一端为流体速度入口，一端为压力出口，给定流体外壁面一个初始温度600K，流体入口速度为6m/s，温度为600K，出口相对大气压力为0Pa，出口温度为300K。需要求解流体和管壁的温度场分布情况。 2 流体模型 将图1c的流体模型以Step格式导入Fluent软件通常使用的前处理器Gambit中，如图3a所示。设置求解器为，然后划分体网格，网格尺寸为100mm，类型为六面体单元，一共生成4895个体单元，网格如图3b所示。 a. 导入Gambit软件中的流体模型 b. 流场的网格模型 图3. 流体模型及网格示意图 进行网格划分后，需定义边界条件，在Gambit软件中先分别定义速度入口(VELOCITY_INLET)、压力出口(PRESSURE_OUTLET)和壁面(Wall)三组边界条件，具体参数设置在Fluent软件中进行。然后定义流体属性，名称定义为air，类型为Fluid。这些定义的目的是能够在Fluent软件中识别出这些特征，具体类型和参数都可以在Fluent软件中进行设置和修改。定义完后点击【Export】，选择【Mesh】，选择路径和文件名称并进行输出。 打开Fluent6.3.26或以上的版本，选择3D求解器，点击【File】→【Read】→【Case】，然后选择Gambit中输出的msh文件，即可将网格文件读入Fluent 软件中。读入模型后，进行求解参数和条件的设置。
调节阀-管道-流体系统流固耦合动态特性研究
调节阀-管道-流体系统流固耦合动态特性研究 摘要：针对调节阀－管道－流体系统的流固耦合问题，建立了考虑阀门定位器作用的系统动态仿真模型，给出了求解调节阀阀芯－阀杆系统响应的预估－校正算法和求解调节阀－管道－流体系统响应的流固耦合有限元方法，利用ANSYS 软件对系统在固定开度与变开度情况和流开型与流闭型情况下振动响应进行了 定性分析。研究表明：在给定压差下，管道以及流体流向对调节阀阀芯－阀杆系统的位移响应以及阀芯受到的流体不平衡力响应都有较大影响。 调节阀或称控制阀在冶金、电力、化工、石油等工业过程控制系统中起着重要作用。调节阀性能的提高往往因其振动问题而受到制约，在某些工况下产生的振动往往是引起各种事故的主要原因，振动严重时甚至引起阀杆断裂，影响机组安全平稳地运行。导致调节阀振动的主要原因是阀体内部流体流动的不稳定性。这种流体诱发振动的现象往往引起管道系统与工业过程控制系统的大幅振动与破坏。调节阀实际应用中往往出现这种情况，在出厂前不连接管道条件下进行的调节阀振动性能试验可以达到设计标准，但现场管网系统中使用的调节阀在运行过程中却在某些工况下发生剧烈振动。这是因为在实际工作环境中，调节阀振动不仅与阀体内部流体流动的不稳定性有关，而且通过流体与相连接的管道振动相互作用。为了解决这个问题，需要把调节阀、管道和流体作为耦合系统来考虑，通过分析耦合系统内部的相互作用，来研究其振动规律和机理。 关于调节阀-管道-流体系统中流固耦合相互作用的研究基本上分为两个方面：一方面，在管道动力学中，只侧重研究流体与管道流固耦合产生的流致管道振动，既使出现调节阀，也仅将其作为模拟阀门开关的流体扰动源或时变边界条件，而大多忽略调节阀自身的动态特性；另一方面，在调节阀动力学中，仅侧重研究调节阀内流体与阀芯流固耦合产生的阀芯-阀杆系统振动，而不考虑管道影响。将管道动力学与调节阀动力学结合起来，以调节阀-管道-流体系统振动为对象的研究成果，目前很少见相关文献报道。 本文以某型号单座式调节阀为对象，研究由调节阀与其两端充液管道组成的调节阀-管道-流体系统的流固耦合振动问题。通过对系统的有限元流固耦合模型进行仿真，分析流开型和流闭型调节阀在固定开度和变开度条件下系统的动态响应。 1.调节阀流固耦合动力学模型 1.1 单座式调节阀结构 单座式调节阀整体结构如图1所示。
(完整版)5流固耦合
第五章 轴流泵的流固耦合 5-1 流固耦合概论 流固耦合问题一般分为两类，一类是流‐固单向耦合，一类是流‐固双向耦合。单向耦合 应用于流场对固体作用后，固体变形不大，即流场的边界形貌改变很小，不影响流场分布的， 可以使用流固单向耦合。先计算出流场分布，然后将其中的关键参数作为载荷加载到固体结 构上。典型应用比如小型飞机按刚性体设计的机翼，机翼有明显的应力受载，但是形变很小， 对绕流不产生影响。当固体结构变形比较大，导致流场的边界形貌发生改变后，流场分布会 有明显变化时，单向耦合显然是不合适的，因此需要考虑固体变形对流场的影响，即双向耦 合。比如大型客机的机翼，上下跳动量可以达到5 米，以及一切机翼的气动弹性问题，都是 因为两者相互影响产生的。因此在解决这类问题时，需要进行流固双向耦合计算。下面简单 介绍其理论基础。 连续流体介质运动是由经典力学和动力学控制的，在固定产考坐标系下，它们可以被表 达为质量、动量守恒形式: ()0v t ρρ?+??=? (1) ()B v vv f t ρρτ?+??-=? (2) 式中，ρ为流体密度；v 为速度向量；B f 流体介质的体力向量；τ为应力张量；在旋 转的参考坐标系下，控制方程变为： ()0r v v t ρρ?+??=? （3） (-)+B r r c v v v f f t ρρτ?+??=? （4） 形式和固定坐标系下基本相同，只是速度变成了相对速度，另外就是增加了附加力项 c f 。 固体有限元动力控制方程为： []{}[]{}{}...[]{}M u C u K u F ++= （5） 式中，[]M ，[]C ，[]K 分别是质量矩阵，阻尼矩阵以及刚度矩阵，{}F 为载荷矩阵。 流固耦合遵循最基本的守恒原则，所以在流固耦合交界面处，应满足流体与固体应力、 位移、热流量、温度等变量的相等或守恒，即满足如下四方程： f f s s n n ττ?=? (6) f s d d = (7) f s q q = (8) f s T T = (9) 5-2 单向流固耦合
几个耦合的例子
一般说来，ANSYS的流固耦合主要有4种方式： 1，sequential 这需要用户进行APDL编程进行流固耦合 sequentia指的是顺序耦合 以采用MpCCI为例,你可以利用ANSYS和一个第三方CFD产品执行流固耦合分析。在这个方法中，基于网格的平行代码耦合界面(MpCCI) 将ANSYS和CFD程序耦合起来。即使网格上存在差别，MpCCI也能够实现流固界面的数据转换。ANSYS CD中包含有MpCCI库和一个相关实例。关于该方法的详细信息，参见ANSYS Coupled-Field Analysis Guide中的Sequential Couplin 2，FSI solver 流固耦合的设置过程非常简单，推荐你使用这种方式 3，multi-field solver 这是FSI solver的扩展，你可以使用它实现流体，结构，热，电磁等的耦合 4，直接采用特殊的单元进行直接耦合，耦合计算直接发生在单元刚度矩阵 一个流固耦合的例子 length=2 width=3 height=2 /prep7 et,1,63 et,2,30 !选用FLUID30单元，用于流固耦合问题 r,1,0.01 mp,ex,1,2e11 mp,nuxy,1,0.3 mp,dens,1,7800 mp,dens,2,1000 !定义Acoustics材料来描述流体材料-水 mp,sonc,2,1400 mp,mu,0, ! block,,length,,width,,height esize,0.5 mshkey,1 ! type,1 mat,1 real,1 asel,u,loc,y,width amesh,all alls ! type,2 mat,2 vmesh,all
血管流固耦合分析实例
Ansys14 workbench血管流固耦合实例 根据收集的一些资料，进行学习后，试着做了这个ansys14workbench的血管流固耦合模拟，感觉能够耦合上，仅是熟悉流固耦合分析过程，不一定正确，仅供参考，希望大家多讨论。谢谢！ 1、先在proe5中建立血管与血液流体区的模型（两者装配起来），或者直接在workbench中建模。 图1 模型图 2、新建工程。在workbench中toolbox中选custom system，双击FSI: FluidFlow(fluent)->static structure. 图2 计算工程 3、修改engineering data，因为系统缺省材料是钢，需要构建血管材料，如图3所示。先复制steel，而后修改密度1150kg/m3，杨氏模量4.5e8Pa，泊松比0.3，重新命名，最后在主菜单中点击“update project”保存.
图3 修改工程材料 4、模型导入，进入gemetry模块，import外部模型文件。 图4 模型导入图 5、进入FLUENT网格划分。 在workbench工程视图中的Mesh上点击右键，选择Edit…，如图5所示，进入网格划分meshing界面，如图6所示。我们这里需要去掉血管部分，只保留血液几何。
图5 进入网格划分
图6 禁用血管模型 6、设置网格方法。 默认是采用ICEM CFD进行网格划分，设置方式如图7所示，截面圆弧边分为12份，纵截面的边均分为10份，网格结果如图8所示。另外在这个界面中要设置边界的几何面，如inlet、outlet、symmetry 图7 设置网格划分方式 图8 最终出网格
流固耦合文献总结
小论文拟采用DP模型，在应力较高的土体中，比Mohr-coulomb理想弹塑性模型的数值计算结果更精确。设定DP模型需要输入3个特殊参数，粘聚力，内摩擦角，膨胀角，其中的膨胀角是用来控制体积膨胀的大小的。在岩土工程中，一般密实的砂土和超强固结土在发生剪切的时候会出现体积膨胀，因为颗粒重新排列了；而一般的砂土或者正常固结的土体，只会发生剪缩。在使用DP模型的时候，对于一般的土，膨胀角设置为0度比较符合实际。渗流耦合分析拟采用的边界条件是全地基边界，即把要分析的模型所有的区域看成是一个封闭的整体。在计算渗流应力耦合分析时，考虑基坑空间效应，建立三维实体模型，不仅考虑施工降水耦合，也考虑施工间歇变形耦合。最终通过支护结构桩和锚杆的变形以及基坑的变形，得出以下两条结论：（1）采用渗流应力耦合理论计算的基坑工程变形形态符合实际情况，随着基坑开挖深度增加，基坑变形规律也符合实际情况。（2）渗流应力耦合情况下基坑变形与不考虑渗流耦合影响下基坑变形曲线相比，数值较大，可见，分析基坑变形时不考虑渗流耦合影响是偏不安全的，耦合分析对基坑变形的影响不能忽视。 1、基于渗流场-应力场耦合作用下的深基坑降水支护结构的位移研究工程勘察2012 本文采用大型通用岩土工程有限元软件PLAXIS对复合土钉支护进行分析,模型采用平面应变模型,土体采用Mohr-coulomb理想弹塑性模型且具有对称性，故取一半对其分析，模型底部为固定约束，侧面只限制水平位移，上表面为自由边界。 本工程的数值模拟主要为比较在有降水作用下和未考虑地下水两种情况下的支护结构体系的位移，为此，首先进行了在未考虑地下水条件下的模拟，即不考虑孔隙水压，地下水位线默认为基坑底部。其次依据实际工程的地下水位线-7.24m，进行了数值模拟，以便找到降水作用对支护结构体系位移的影响。 2、考虑流-固耦合效应的基坑水土压力计算工程勘察2011 针对地下水绕过围护墙渗流情况，分析了传统的水土压力分算、合算及考虑土体渗流-固结变形方法计算土压力的区别，并利用实测数据进行对比。 流过耦合分析，PLAXIS程序采用水土分算的方法，通过输入地下水水头执行地下水渗流程序进行计算，利用单元应力点上的压力水头求得孔隙水压力，将围护墙与土体接触界面上的有效压力与孔隙水压力值相加，得到基坑围护墙上总的水土压力分布。 3、考虑流固耦合作用的深基坑有限元分析地下空间与工程学报2012 利用FLAC流固耦合模型对复杂地质条件下深基坑降水开挖过程中深基坑的时间效应进行研究。建立考虑参数变化的弹塑性流固耦合数值模型，分析基坑开挖及降水作用下地表沉降、水压力、基底隆起随时间变化的规律。平面应变模型，土体采用修正的剑桥模型模拟，只是在理论上提出考虑基坑开挖过程中渗透系数随孔隙比变化的现象，未应用在模型模拟中。 4、考虑渗流-应力耦合基坑开挖降水数值分析广东工业大学学报2013 本文运用通用软件MIDAS/GTS考虑渗流应力耦合作用下模拟基坑开挖降水的详细过程，分析了不同阶段渗流情况,同时探讨了止水帷幕、渗透系数与不同降水深度对基坑支护特性的影响，以期为基坑降水和支护结构优化提供理论参考。采用的摩尔库伦土体模型，基坑较小，应力水平较低，平面应变模型，未考虑基坑的空间效应。 5、深基坑工程降水与地面沉降耦合数值模拟研究中国市政工程2012 采用基坑降水与地面沉降耦合模型分析，四周边界取为定水头边界，其中，求解地下水问题简化为求解地下水在多孔介质中流动的问题，建立相适应的地下水三维非稳定渗流数学模型为 地面沉降模型为 方程的求解条件为： 利用建立的三维渗流沉降模型预测抽水减压期间对水位降深和区域沉降影响。计算结果
基于Ansys12.0的Workbench血管流固耦合之最详尽小火车之旅
承蒙“水若无痕”版主信任，我把我做过的血管流固耦合以小火车的形式发出来，与大家共同讨论学习。首先概述一下：1：血管建的比较短，这样单元会少些，调试比较方便，但效果可能没官方视频的好看，但原理步骤没错就行 2：原来流体为自己建的Blood，为可压缩流体，我自己试了下，用Water也可以，所以就简化了建新材料这一步 3：我用的是Ansys12.0版本，我建的模型保存成多种格式，欢迎大家下载做着玩玩 01 A：首先打开Ansys Workbench 拖出各个模块，连接关系如下图： 02 B：可双击Engineering Data编辑材料，因为进入Ansys结构部分设置时候要用到血管材料，默认是结构钢，太硬了，所以要自己重新设材料，这点很重要！ 03 C：单击我画的第一个大圈（左列），右击我画的第二个大圈（左列）——Duplicate，复制一个同种材料。在复制的材料后面框里有链接，这个链接是链接到材料库的，右键把链接打断，我是这么做的。如果双击Engineering Data看不到
我图中的界面的话，可以在主菜单中——View——Properties以及接下来的两个选项给选上就可以看见了。改好材料后可以把对新材料重命名，用右键。然后再主菜单上点击update project，材料就可以在材料设置里用了。 04 D：更改密度，杨氏模量，和泊松比。重命名。上一步给出了怎么保存修改结果 05 E：这个是Ansys model部分，这里是不需要用到流体部分的，不需要删掉，只要右键对它Suppress就可以了。单击Pipe，可以在下面设置材料
06 F：对血管加约束，可以把两端完全约束，对称面部分在垂直面内不可运动，也可以所有平面部分都完全约束，这个没关系，都可以计算。 07 G：右键插入流固耦合面，当然就是流体固体接触面了
adina热-流-固耦合建模过程
基于adina热-流-固耦合建模过程 热-流-固耦合作用是存在高度非线性的复杂耦合作用。有关这三场的耦合作用研究在地石油工程、热资源开发、地下核废料存储安全、采矿工程等很多领域有着非常重要的应用价值。由于研究对象的不同，热流固耦合模型的形式存在差异，建立符合实际问题的三场耦合模型十分困难，文中在国内外学者对三场耦合模型理论研究的进展状况的基础上，通过一个例子，介绍了用adina建立模型的过程。 1三场耦合理论模式介绍 在三场耦合尤其是三场耦合机制的研究过程中，人们根据各自对三场耦合的认识提出了不同的三场耦合作用模式。1995年前有关三场耦合作用模式的研究在场与场之间的联系关系上主要是以速度等变量为桥梁，如HART、Jing提出的作用模式，其中Jing主要描述的核储存库三场耦合模式，后来作用模式发展为主体为物理现象，它们之间的相互联系是以场作用或物理作用为桥梁的，如Guvanasen、柴军瑞的作用模式，前者同样以核废料储库库围岩三场耦合作用研究为主，后者为一般模式。 Jing等描述了核废料贮库围岩裂隙岩体中的热-液-力耦合过程，如图1所示。H art等提出了如图2所示的三场耦合作用模式。柴军瑞从岩体渗流-应力-温度三者两两之间的相互关系出发，建立了如图3的作用模式。图中：口渗透水流对岩体固相的力学作用，一般应用有效应力原理来反映;a’为应力引起裂隙岩体空隙率和渗透特性变化，目前有经验关系式(如Lours负指数关系式)和理论关系式(包括各种概化情况下和各种概化模型下的理论关系式)两大类表示方法;b为温度引起热应变(力)及与温度有关的岩体固相力学特性变化;b’为岩体固相力学变形引起热力学特性变化及 岩体固相内部热耗散;c为水流的热对流及与岩体固相的热交换;c’为温度势梯度引起水份运动及与温度有关的水特性变化。 图1裂隙岩体中的热液力耦合过程(据Jing等。1995年)
AnsysCF流固耦合分析
A n s y s C F流固耦合分析 文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]
流固耦合FSI分析 分析原理：流场采用CFX12，固体采用ANSYS12分别计算，通过界面耦合。流体网格：流体部分采用分网，按照流体分网步骤即可，没有特殊要求。 网格导出：CFX可以很好的支持Fluent的.cas格式。直接导出这个格式即可。流体的其余设置都在CFX-PRE中设置。 固体网格即设置：划分固体网格。设置边界条件，载荷选项，求解控制，导出.cdb文件。 实例练习： 以CFX12实例CFX tutorial 23作为练习。 为节省时间，将计算时间缩短为2s。 网格划分：提取CFX tutorial 23中的实体模型到hm中，分别划分流体，固体网格。分别导出为fluent的.cas格式和ansys的cdb格式。 流体网格如下： 网格文件见: 固体网格为： 特别注意： 做FSI分析时，ANSYS固体部分必须在BATCH下运行（即将.cdb文件导入ansys不需要任何操作就能直接计算出结果），所以导出的.CDB文件需要添加一个命令，在hm建立FSIN_1的set，以方便在.cdb中手动添加命令 SF,FSIN_1,FSIN,1，具体位置在定义了节点集合FSIN_1之后。 另一个set：pressure用于施加压强。 这里还设置了一些控制卡片用于分析，当然也可以直接修改.cdb文件
详细.cdb文件请参看 将固体部分在ansys中计算一下，以确定没有问题。 通过ansys计算检查最大位移：最上面的点x向变形曲线 至此，固体部分的计算文件已经准备好，流体网格需要导入CFX以进一步设置求解选项和耦合选项。 以下在CFX-PRE中进行设置 由于固体模型已经生成，故不需要利用workbench，所以不必按照指南的做法。 启动workbench，拖动fluid flow(CFX)到工作区 直接双击setup进入CFX-PRE 导入流体网格 然后设置分析选项： 注意：mechanical input file即是固体部分网格。 再新建一个流体，取名fluid。 设置domain 添加边界条件 取名为interface设置流固耦合界面，对应为abc。 这就是流固耦合界面的设置过程。 同理，建立sym1 Sym2 这个选项默认为no slip 的 wall，最普通的那种，不必特殊设置 初始化： 求解控制
血液流动与血管壁的流固耦合现象分析
血液流动与血管壁的流固耦合现象分析 随着人体力学的研究越来越深入，我们认识到血液流动中的力学问题与流场分布、壁面剪应力、流动分离等密切相关。。早在1775年，Euler 就用数学表达式描述了动脉中的血流。Young 于1808年从数学理论的角度研究了动脉血流的波的性质。从理论上来说，可以用不可压缩黏性流体Navier-Stokes 方程： Ρ（?u /?t+u ?▽u )=-▽p+▽T 和连续性方程: ▽?u =0 来描述血流。式中，u 是速度矢量；t 为时间；r 为密度，p 为压力，T 为应力张量。这里没有考虑体力的影响。同时有 T =2?（γ. ）D D =1/2(▽u +▽u T ) 式中：γ.是剪切率；?是血液黏度,?是γ.的函数。 因此，数值方法成为血流动力学研究的主要手段。为了简化计算，目前在血流动力学研究中，大部分还是基于血管壁面为刚性这一假设，没有考虑动脉壁的顺应性。虽然刚性边界假设在某种程度上来说是一种较好的近似，在刚性假设的条件下也得到了许多有意义的结
果，但是当血液在动脉血管中流动时，流体压力使血管产生变形，而血管的变形又反过来影响血液的流，即流固耦合作用。弹性边界的引入会给血液流场带来什么变化是人们非常关注的，目前已发展的动脉壁模型有线弹性、非线性弹性、黏弹性、弹塑性、多孔介质等。在流固耦合研究中，线弹性和非线性弹性的动脉壁模型较为常见。考虑血管壁的运动能够更真实地反映在体血管中血流的情况。
算法在流固耦合研究中是十分重要的,目前已发展的算法有可移动网格算法和非移动网格算法两类。ALE法是最为熟悉和常用的可移动网格算法，它利用了拉格朗日格式在固体表达中网格可以随材料变形而变形和欧拉格式在流体表达中网格不移动不至于引起网格扭曲和交错的优点，将这两种格式进行组合。ALE法可以利用网格的调整来跟踪材料的变形，非常适合大变形的流固耦合问题，当使用ALE 法来分析流固耦合问题时，流固耦合界面附近的流体区域用ALE参考系建模，但远离结构的流体使用欧拉参考系。流体体积法的基本原理是通过研究网格单元中流体和网格体积比函数F来确定自由面，追踪流体的变化，而非追踪自由液面上质点的运动。根据F定义，整个计算区域的网格单元可划分为三类。显然，F函数是一个阶跃函数。F=1的单元中充满流体，称为流体单元；F=0的单元内无流体，成为空单元；0 流固耦合的研究与发展综述 目录 1.引言............................................... - 1 - 2.流固耦合的分类与发展............................... - 1 - 3.流固耦合的研究方法................................. - 2 - 4.流固耦合计算法..................................... - 4 - 5.软件应用方法....................................... - 6 - 6.总结与展望........................................ - 14 - 参考文献............................................ - 15 - 流固耦合的研究与发展 1.引言 近来，航空航天工业在世界上发展迅速，而作为“飞机心脏”的航空发动机是限制其发展的主要因素。目前，航空发动机日益向高负荷、高效率和高可靠性的趋势发展，高负荷导致的高你压力梯度容易引起流动分离，同时随着科技的发展，航空发动机的设计使得材料越来越轻，越来越薄，这就使得发动机内部的不稳定流动对叶片的影响大大增加，成为发动机气动及结构设计要考虑的关键问题之一。而以往单单考虑气动或结构因素不能满足实际的需求，必须将气动设计和结构设计相结合，考虑其相互作用的影响，因此流固耦合的研究应运而生。 流固耦合是流体力学与固体力学交叉而生成的一门独立的力学分支,它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场影响。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用,固体在流体动载荷作用下会产生变形或运动，而固体的变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。 2.流固耦合的分类与发展 总体上，从流固耦合的机理上可以分为两大类：第一类，耦合作用仅仅发生在两相交界面上，在方程上的耦合是由两相耦合面上的平衡及协调来引入的如气动弹性、水动弹性等；第二类，两相部分或全部重叠在一起，难以明显地分开，使描述物理现象的方程，特别是本 流固耦合FSI分析 分析原理：流场采用CFX12，固体采用ANSYS12分别计算，通过界面耦合。 流体网格：流体部分采用分网，按照流体分网步骤即可，没有特殊要求。 网格导出：CFX可以很好的支持Fluent的.cas格式。直接导出这个格式即可。 流体的其余设置都在CFX-PRE中设置。 固体网格即设置：划分固体网格。设置边界条件，载荷选项，求解控制，导出.cdb文件。 实例练习： 以CFX12实例CFX tutorial 23作为练习。 为节省时间，将计算时间缩短为2s。 ! 网格划分：提取CFX tutorial 23中的实体模型到hm中，分别划分流体，固体网格。分别导出为fluent的.cas格式和ansys的cdb格式。 流体网格如下： 网格文件见: 固体网格为： 特别注意： 做FSI分析时，ANSYS固体部分必须在BATCH下运行（即将.cdb文件导入ansys不需要任何操作就能直接计算出结果），所以导出的.CDB文件需要添加一个命令，在hm建立FSIN_1的 set，以方便在.cdb中手动添加命令SF,FSIN_1,FSIN,1，具体位置在定义了节点集合FSIN_1之后。 另一个set：pressure用于施加压强。 这里还设置了一些控制卡片用于分析，当然也可以直接修改.cdb文件 [ 详细.cdb文件请参看 将固体部分在ansys中计算一下，以确定没有问题。 通过ansys计算检查最大位移：最上面的点x向变形曲线 至此，固体部分的计算文件已经准备好，流体网格需要导入CFX以进一步设置求解选项和耦合选项。 以下在CFX-PRE中进行设置 ： 由于固体模型已经生成，故不需要利用workbench，所以不必按照指南的做法。 启动workbench，拖动fluid flow(CFX)到工作区流固耦合的研究与发展综述
Ansys CFX 流固耦合分析
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