ANSYS Workbench单向流固耦合仿真案例

流固耦合(Fluid-solid interaction,FSI)计算,通常用于考虑流体与固体间存在强烈的相互作用时,对流体流场与固体应力应变的考察。FSI计算按数据传递方式可分两类:单向耦合与双向耦合。所谓单向耦合,主要是指数据只从流体计算传递压力到固体,或者只从固体计算传递网格节点位移到流体。双向耦合则在每一时刻都同时向对方发送相应的物理量(流体计算发送压力数据,固体计算发送位移数据)。

ANSYS Workbench中可以利用Fluent与DS进行单向流固耦合计算。我们这里来举一个最简单的单向耦合例子:风吹挡板。我们假定挡板位移可忽略不计,固体变形对流场影响可以忽略,所考虑的是流体压力作用在固体上,固体的应力分布。当然这里的压力可以换成温度等其他物理量。



1新建工程

注意是从Fluent →Static Structure。连接图如1所示。

ANSYS Workbench单向流固耦合案例 附ANSYS流固耦合分析与工程实例下载的图1

图1 工程关系

ANSYS Workbench单向流固耦合案例 附ANSYS流固耦合分析与工程实例下载的图2

图2 进入DM建模



2 DM创建模型

进入Fluent中的DM进行模型创建,如图2所示。流固耦合计算中的几何模型与单纯的流体模型或固体模型不同,它要求同时具有流体和固体模型,而且流体计算中只能有流体模型,固体计算中只能有固体模型。建好后的模型如图3,4,5所示。由于固体模型需要从这里导入,所以我们保留固体与流体模型。

ANSYS Workbench单向流固耦合案例 附ANSYS流固耦合分析与工程实例下载的图3
图3 实体模型

ANSYS Workbench单向流固耦合案例 附ANSYS流固耦合分析与工程实例下载的图4

图4 固体模型

ANSYS Workbench单向流固耦合案例 附ANSYS流固耦合分析与工程实例下载的图5
图5 流体模型



3进入FLUENT网格设置

在FLUENT工程视图中的Mesh上点击右键,选择Edit…,如图6所示,进入网格划分meshing界面,如图7所示。我们这里需要去掉固体部分,只保留流体几何。

ANSYS Workbench单向流固耦合案例 附ANSYS流固耦合分析与工程实例下载的图6
图6 进入网格划分

ANSYS Workbench单向流固耦合案例 附ANSYS流固耦合分析与工程实例下载的图7

图7 禁用固体模型



4设置网格方法

我们采用ICEM CFD进行网格划分。设置方式如图8所示,ICEM CFD中的网格如图9所示。

ANSYS Workbench单向流固耦合案例 附ANSYS流固耦合分析与工程实例下载的图8

图8 设置网格划分方式

ANSYS Workbench单向流固耦合案例 附ANSYS流固耦合分析与工程实例下载的图9
图9 最终生成网格



5在meshing中更新网格

关闭icem cfd后自动回到model界面。我们在mesh上点击右键,选择update进行更新。更新后网格如图10所示。

ANSYS Workbench单向流固耦合案例 附ANSYS流固耦合分析与工程实例下载的图10
图10 meshing中的网格

ANSYS Workbench单向流固耦合案例 附ANSYS流固耦合分析与工程实例下载的图11
图11 进入fluent



6进入fluent

关闭mesh,回到fluent工程窗口,右键点击setup,选择edit…,进入fluent。这里流体计算参数就不一详说了。模型很简单,这里设置入口速度3m/s,出口压力0Pa,采用k-e湍流模型。计算完后查看fluid_interface面上压力分布,如图12所示。流线如图13所示。

ANSYS Workbench单向流固耦合案例 附ANSYS流固耦合分析与工程实例下载的图12

图12 fluid_interface面上压力分布

ANSYS Workbench单向流固耦合案例 附ANSYS流固耦合分析与工程实例下载的图13
图13 流线



7进入Static Structure

关闭fluent,进入Static Structure的model,如图14所示。注意geometry树形节点上,禁用流体区域以及外壳固体区域。之所以禁用外壳固体区域,因为流体对其影响可以忽略,为节省计算开销。

ANSYS Workbench单向流固耦合案例 附ANSYS流固耦合分析与工程实例下载的图14
图14 禁用流体区域

ANSYS Workbench单向流固耦合案例 附ANSYS流固耦合分析与工程实例下载的图15
图15 选择手里面以及CFD中相对于的面



8导入流体载荷

如图16所示,插入流体载荷,并如图15所示进行属性设置。我们可以查看导入的流体载荷,如图17所示。

ANSYS Workbench单向流固耦合案例 附ANSYS流固耦合分析与工程实例下载的图16
图16 插入流体载荷



9设置固体约束

约束底面为fixed,进行计算。计算结果如图18所示。

ANSYS Workbench单向流固耦合案例 附ANSYS流固耦合分析与工程实例下载的图17

图17 显示导入的流体载荷

ANSYS Workbench单向流固耦合案例 附ANSYS流固耦合分析与工程实例下载的图18
图18 应力计算结果



10总结

单向耦合计算思路很简单,就是先算流体,然后将流体压力作为载荷施加到固体上。

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