流固耦合仿真的重要性解析

流固耦合 (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与固体力学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。

虚拟设计流程及流固耦合分析

从算法上讲，ANSYS CFD、ABAQUS CFD、STAR CCM+等大型通用仿真平台主要采用分离解法也就是载荷传递法求解流固耦合问题。但从数据传递角度出发，流固耦合分析还可以分为两种：单向流固耦合分析和双向流固耦合分析。其中，双向耦合因为求解顺序的不同又可分为顺序求解法和同时求解法。

1 单向流固耦合

单向流固耦合分析指耦合交界面处的数据传递是单向的，一般是指把CFD分析计算的结果（如力、温度和对流载荷）传递给固体结构分析，但是没有固体结构分析结果传递给流体分析的过程。也就是说，只有流体分析对结构分析有重大影响，而结构分析的变形等结果非常小，以至于对流体分析的影响可以忽略不计。单向耦合的现象和分析非常普遍，比如热交换器的热应力分析、阀门在不同开度下的应力分析、塔吊在强风中的静态结构分析、旋转机械的结构强度分析等都属于单向耦合分析。

另外，已知运动轨迹的刚体对流体的影响分析，在某种程度上也可以看作是一种单向耦合分析。如汽车通过隧道时对隧道内部气流的影响分析，快启阀在开启过程中对流体流动的瞬间影响分析等。由于固体运动已知，且固体变形忽略不计，所以此类问题一般可以单独在CFD求解器中完成，但是运动轨迹需要通过用户自定义函数设定。

2双向流固耦合

双向流固耦合分析是指数据交换是双向的，也就是既有流体分析结果传递给固体结构分析，又有固体结构分析的结果（如位移、速度和加速度）反向传递给流体分析。此类分析多用于流体和固体介质密度比相差不大或者高速、高压下，固体变形非常明显以及其对流体的流动造成显著影响的情况。

常见的分析有挡板在水流中的振动分析、血管壁和血液流动的耦合分析、油箱的晃动和振动分析等。

一般来讲，对大多数耦合作用现象，如果只考虑静态结构性能，采用单向耦合分析便足够，但是如果要考虑振动等动力学特性，双向耦合分析必不可少，也就是说双向耦合分析很多是为了解决振动和大变形问题而进行的，最典型的例子莫过于深海管道的激振问题。同理，如前所述，塔吊在强风中的静态结构分析属于单向耦合分析，但是如果考虑塔吊在强风中的振动情况，就需要采用双向耦合进行分析。

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