Ansys流固耦合分析工程实例分享

概念介绍

流固耦合问题是流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)与固体力学 (Computational  Solid Mechanics，CSM)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。

ANSYS流固耦合简介

ANSYS 很早便开始进行流固耦合的研究和应用， 目前 ANSYS 中的流固耦合分析算法和功能已相当成熟，可以通过或者不通过第三方软件(如 MPCCI)实现 ANSYS Mechanical APDL + CFX、ANSYS Mechanical APDL + FLUENT、ANSYS Mechanical + CFX 的流固耦合分析。

从算法上讲，ANSYS(也包括其他大型商业软件)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(oneway coupling 或 unidirectional  coupling)和双向流固耦合分析(twoway coupling 或bidirectional coupling)。其中，双向耦合因为求解顺序的不同又可分为顺序求解法(Sequential solution)和同时求解法(Simultaneous  solution)，下图简单概括了基于 ANSYS 的耦合分析。

ANSYS 耦合分析分类

耦合计算中数据的流向

ANSYS流固耦合可行性设置方式

ansys单向耦合

• 案例分析方法

单向流固耦合设置流程

此分析方法可以被应用于所有的单向流固耦合问题的分析, 比如水泵、压缩机、风扇、吹风机、 涡轮、膨胀器、涡轮增压器和鼓风机等等。其在应用上具有普遍性, 操作上具有简易性。

单向计算可以使用瞬态或稳态，双向计算通常为瞬态计算。注意固体，流体和耦合计算的时间步长必须保持一致。同时需要关闭结构的auto time stepping。

具体步骤

1、创建几何模型，需要同时创建固体模型与流体模型。

2、在Workbench中搭建流固耦合流程。

3、流体求解设置

• 网格划分:抑制固体,对流场区域的网格进行划分,并进行边界命名,包括入口、出口等。
• 求解设置
• 动网格区域设置
• 时间步控制

4、结构求解设置

• 网格划分。抑制流体区域网格,对结构网格进行划分,并重命名。
• 约束和边界设置。

5、流固耦合System Coupling设置

• 耦合求解时间设置。包括时间步,总计算时间等。
• 定义流固数据传递。如：流体向固体传递力的数据,固体向流体传递位移数据等。

6、仿真结果查看

流体中主要查看流场改变，固体中主要查看位移、应力及应变信息。

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