Star CCM+流固耦合分析实例：深入探索流体与结构的相互作用

1 多物理场耦合分析的分类

不同数据间的插值法

这是目前较为常见的方法，固体计算多采用有限元，流体多采用有限体积法。在不同的软件和不同的方法之间通过网格数据的插值实现压力、温度、位移等场变量的交换，据说ANSYS和CFX之间可实现这一功能。比较强大的还是MpCCI，可以建立大多数固体软件和流体软件之间的借口，不仅能实现一般流固耦合问题的数据交换，在航空航天领域的气动弹性方面也很强大，不过目前完全数值计算的方法在气弹问题应用中并不十分广泛，但MpCCI好像很难搞到盗版的，让很多人很受伤。

统一求解的耦合法

该耦合法是指在同一计算环境下实现多物理场下多个变量的同时计算。当然耦合也有顺序耦合与完全耦合之分。要实现这一耦合就目前来说必须要保证算法的统一。ADINA号称专为多物理场耦合而生，它采用完全的有限元法来处理所有问题。用有限元法来处理流体计算显然效率低下，且是其战绩并不辉煌，据说在气弹和热气弹领域还没有成功的案例，在一般的耦合计算领域不是很清楚，不敢妄加定论！

2．Star CCM+的耦合能力

CCM+的耦合功能主要可分为两类：

第一

通过数值的交换与其它软件建立联系，实现多物理场的耦合，包括应力分析、热应力分析、以及噪声分析等的耦合。因为其自带的接口很容易实现不同软件之间数据的传递与插值，因此省去了类似MpCCI这样的中间接口。个人用过Star CCM+与Abaqus之间的数据传递，当用Star CCM+计算的结果如表面压力场或温度场之类的数据传送给Abaqus时较为便利，只需要输出一个载荷文件，然后在Abaqus中的inp文件中添加载荷的语句就可以方便的使用；但是当使用Abaqus生成的数据ODB文件传向CCM+时却从未成功，据说这是因为使用的Abaqus软件是盗版的。

第二

在CCM+环境下基于完全的有限体积法实现的耦合分析，可以是稳态的耦合，也可以是瞬态的。由于是完全的有限体积法，因此固体结构只能使用体单元，即便是工程上常见的薄壁结构也只能如此，为保证网格质量和计算结果的精度，这会带来较多的网格单元。因为有限体积法不具备有限元法那样的插值函数，就不存在梁、壳这样的单元，这也是有限元基于消元求解的计算效率相对低下而仍然无可替代的主要原因吧。

该实例所要演示的是一个简单的轴流风扇（自己画的）的流固耦合，在CCM+集成的环境下的有限体积法求解流固耦合问题，即将流体计算的分布压强施加在固体上，这里不考虑温度场，也不刻意去追求求解的精度，使问题得到简化，达到抛砖引玉之效。

3 实例

如图是一个轴流风扇，以一定的转速转动，为了求解定常问题，需要使用MRF，即中间的流体区域设为MRF，两端与之使用interface连接。除了这三个流体区域之外还有叶片的固体区域，固体区域虽然在MRF区域之间，但无需定义MRF，定义了也无意义

首先需要在模型中分别创建流体和固体的物理模型，流体这里就不赘述了，而固体创建的时候的选择如下图，注意这里不考虑温度，若需要考虑的话还要选择相应求解器对应的能量方程，如Segregated Solid Energy或Coupled Solid Energy。

在模型树中定义固体的固体计算相关的材料参数，杨氏模量、泊松比和密度(这里可没有)。流体的定义不再赘述。

流体边界条件定义，定义压力边界的入口和出口，还有MRF区域与两端区域之间的interface，固体与流体之间的interface，当然在CCM+中为了便于网格划分以及网格的连续性，通常在划分网格前定义interface更好。固体边界的定义如下图，这里固定约束风扇定子的一个面，如图红色所示，在Stress/Displacement下，选择Fixed。

求解设置，这里仅考虑的是小变形问题，也就是说不考虑由于叶片变形对流场变化的影响，因此使用完全的顺序耦合，即先计算流场，把压力传递给固体后再计算应力场。所以在最初的迭代中只计算流体，将求解器设置中的固体应力下的求解器暂时抑制，待流场计算收敛之后将有关流体的所有求解器全部抑制，只打开固体计算的求解器，就可以计算应力与位移了。

在计算结果中选择Solid Stress Equivalent，等效应力，这个就是Abaqus中的Mises应力了。

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