流固耦合基础与案例：基于MpCCI的Abaqus与Fluent联合应用

作为流流合版块的版主，我感到惭愧。因为我几乎就没真正应用流固耦合做过工程。第一次应用流固耦合还要追溯到做硕士毕业论文的时候，当时做的是高压水射流切割，属于一个大课题中的小项，主要用的软件是fluent。

但是利用fluent是没办法计算射流的切割效果的，流体软件只能计算流场参数（压力、速度、温度等），对于应力计算实在是力不从心。我不知道导师是从哪里听来的风声，说让使用mpcci将fluent与abaqus耦合计算固体变形乃至断裂。当时也是初生牛犊不怕虎，老师说用那就用呗，于是开始关注固体计算，关注abaqus，关注mpcci。然而现实是残酷的，流体与固体采用不同的计算网格（流体用欧拉网格，固体采用拉格朗日网格），对于断裂的问题，单纯采用abaqus勉强可算，然而耦合上流体之后，通常计算会以出现负体积而告终。

多次的失败终于磨灭了导师的耐心，于是项目转而采用LS-DYNA的ALE进行解决，而我的毕业论文，则彻底的舍弃了这一部分。搞射流的自然离不开喷嘴的设计，在研究射流喷嘴结构在高压流体作用下的材料行为，于是又涉及到了流固耦合问题，这次很幸运，虽然压力很高，然而压差并不大，喷嘴的变形处于弹性小变形阶段，我采用workbench中的CFX+ANSYS mechanic圆满的完成了任务，计算的是双向流固耦合，虽然到现在也不敢去评判计算结果的准确性，但好歹也是计算完毕，顺利的通过了毕业答辩。

说起流固耦合，其实包含的范围很宽。我们做流体，其实就包含了流场、温度场、组分场等的计算。

流固耦合包含的以下几类问题：

1) 单向流固耦合。通常是忽略固体变形对流场的影响。

2) 双向流固耦合。考虑流场对固体变形的影响，同时也要考虑固体形变对流场的影响。计算量很大，而且很难收敛。

3) 热应力计算。这个主要是温度与结构的耦合。计算结构在温度变化影响下的应力应变分布。

流固耦合计算量相当大，主要是因为固体计算对内存的消耗很大。因此在工程上，若不是特别需要的话，尽量少用流固耦合，能用单向耦合计算的尽量不用双向耦合，能不用耦合的尽量不用。因为计算资源要求太高，必然导致网格数量的下降，导致计算精度的降低。

那么什么时候需要用流固耦合呢？

1) 流体与固体耦合非常强烈时。如风中飘动的红旗。这通常是由于固体刚度比较小，变形比较大的原因所引起。

2) 对于一些涉及到考虑流场中的固体应力计算问题，通常要采用流固耦合方法。

流固耦合计算的数据传递方式及传递物理量：

1) 对于单向耦合，通常传递的物理量为压力。实际上是将流体计算的压力当作载荷加载在固体上，计算固体的应力应变。

2) 双向耦合问题，通常在每一步都需要传递数据，流体计算传递的数据为压力，固体求解器所传递的数据为节点位移。这样在每一次迭代后更新固体载荷与流场情况。