流固耦合初探：基础知识概览

流固耦合力学是研究流体与固体相互作用下相关力学行为的一门学科。在现实世界中，很多领域都涉及到流固耦合问题，如能源、水利、化工、船舶、交通运输等。在单纯的计算流体力学中，固体常常当做刚性壁面处理，涉及到固体内部物理现象计算的也仅仅是热传导。对于固体力学领域中所考虑的固体内应力的计算，计算流体力学则显得束手无策。而对于流动问题计算，固体力学中普遍采用的有限元方法则又存在种种困难。流固耦合方法则是联合了固体力学计算与流体力学计算，以求解流体导致的固体变形，或由于固体变形影响流场的问题。


在进行流固耦合计算之前，需要对其中涉及的一些常识有所了解。以下是一些流固耦合问题的基本常识。

1、流固耦合计算适合的场合

流固耦合计算由于要联合流体仿真与固体仿真，因此计算开销很大。对于一些可以简化为单场计算的问题，则应当进行简化。流固耦合主要应用于一下场合：

1）流场与固体应力场耦合紧密。换句话说，流体流动导致的固体变形不可忽略，或者固体变形是所感兴趣的内容，此时则需要采用流固耦合计算。

2）固体变形会影响到流场的分布。实际上和第一点是一回事。比如说飘扬中的旗帜，其变形会影响到周围的流动分布。
共轭传热问题虽然涉及到固体，但是并不需要采用流固耦合计算，因流体求解器可以计算热传导方程。

2、流固耦合分类

通常有两种分类方式。按求解方程分类可以将流固耦合分为强耦合和弱耦合，按求解顺序可以将流固耦合问题分为单向耦合和双向耦合。

强耦合：流体计算与固体计算联立求解。由于固体方程与流体方程存在很大的差异，联立求解困难重重。目前还没有一款商业软件可以求解强流固耦合问题。

弱耦合：流体方程和固体方程分别单独求解，然后在迭代步中进行数据交换。目前的流固耦合基本上都是采用弱耦合。由于存在时间差，所以与现实情况存在一定的误差。单向耦合与双向耦合主要是针对弱耦合求解。前面提到弱耦合需要在固体和流体求解器间进行数据交换，因此便存在单向耦合和双向耦合的问题。

在这里插一句：通常固体求解器向流体求解器发送的是位移，而流体求解器向固体求解器发送的是压力及温度等。

单向耦合：单向数据发送。通常只是一方求解器向另一方求解器发送数据，另一方求解器并不会返回数据。比如说计算射流冲击固体，若固体应力应变可忽略的话，则可以用单行耦合计算。此时流体求解器只是发送压力数据到固体求解器，固体求解器并不会返回位移数据到流体求解器。

双向耦合：固体求解器和流体求解器均会发送响应数据给对方。比如说前面提到的迎风招展的旗帜。

3、能够进行流固耦合计算的软件

目前能够进行流固耦合的商用软件挺多，而且功能也很强大，那么当前进行流固耦合计算的主流软件及配置有哪些呢？以下是一些常见的 计算软件。

1）Adina。这个软件比较老牌，而且功能也很强大，长于固体非线性计算。目前新版本增加了不少新功能特性。此软件包含有ADINA CFD模块，可以和结构模块进行单、双向流固耦合计算。缺点在于前后处理界面不太友好，可能是我使用不熟练的原因。

2）COMSOL。另一款可以进行流固耦合计算的软件。目前势头很火，具体功能不详。

3）ANSYS。目前ANSYS中进行流固耦合主要是利用CFX和Fluent进行流体计算，而固体计算则采利用ANSYS Mechanic模块。双向耦合主要是利用CFX，不过14.0之后版本的FLUENT可以利用SYSTEM COUPLING模块实现双向耦合。单向耦合则不成问题。

4）STAR CCM+联合ABAQUS。STAR CCM+本身可以利用有限体积法计算固体应力，单独的CCM+可以实现单向耦合。不过要计算双向耦合则需要借助ABAQUS。

5）MPCCI。这并非一款计算软件，而是一个中间软件，相当于一个通讯器，用于流体计算与固体计算中数据交换。

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