流固耦合新论（二）：ANSYS中的跨界融合

在ANSYS软件中使用流固耦合计算是很方便的。

在ANSYS中，进行流体计算的软件主要是FLUENT与CFX，而参与固体力学计算的模块主要是APDL（俗称的经典模块）与Mechanical。这四款软件的中流体计算模块与固体计算模块的相互组合，即可构成流固耦合计算方案。由于本人对于APDL的耦合计算应用较少，因此本次不打算讨论APDL在流固耦合上的应用。

前面提到，流固耦合计算可分为单向耦合与双向耦合，利用CFX或FLUENT与Mechanical的联合仿真，可以实现单向耦合和双向耦合。（需要注意的是：14.0之后的版本中才允许FLUENT通过System Coupling模块与Mechanical实现双向耦合计算，在之前的版本中FLUENT只能做单向耦合）。

1、单向耦合

单向耦合指的是只有一方求解器向另一方发送数据信息，另一方并不反回数据。

分为两种情况：

1）流体求解器向固体求解器发送压力及温度数据。这是最常见的单向耦合计算。通常用在固体热应力计算，或计算流体载荷在固体上产生的应力。一般来说这种计算都是基于固体小变形假设，也就是说固体的形变对流场产生的影响可以忽略。

2）固体变形对流场的影响。这种情况在实际计算过程中很少应用到，因为流体计算中的动网格功能完全可以满足要求。

2、双向耦合

双向耦合应用于流体作用于固体变形耦合强烈的领域。通常需要考虑到固体变形对流场的影响。分为两种情况：

1）扰动由流体引起。即流体流动导致固体变形，固体变形引起流场的扰动。如涡激振动就是一种典型情况。

2）扰动由固体引起。固体变形引起流体流场扰动，之后流体流场反作用与固体变形，研究其相互作用。

这两种情况在实际应用中都会经常遇到。

OK，下面谈一下如何在ANSYS中解决这几类耦合问题。

case1：单向耦合1

一共包括四种组合方式，分别为FLUENT、CFX与稳态静力计算、瞬态静力计算的组合。

图1 FLUENT稳态单向耦合                          图2 CFX稳态单向耦合

其原理比较简单：将流体计算的压力当做静载荷实际到结构上，从而计算结构的应力应变。

case 2：单向耦合2

这种情况基本不会存在，ANSYS中取代这种情况的是双向耦合计算。

case 3：双向耦合1

双向耦合通常都是瞬态计算。扰动源为流体的计算方式如图3、图4所示。

图3 FLUENT双向耦合

图4 CFX双向耦合case 4：双向耦合2

与case3类似，只不过此时固体计算在先，扰动源为固体。

图5 FLUENT双向耦合

图6 CFX双向耦合实际上图5与图3是等价的，流体计算与固体计算的数据均通过system coupling进行中转，谁先发送数据在system coupling中定义。

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