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Ls-dyna ICFD模拟心脏瓣膜不可压缩流，完整K文件分享

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本文案例是讲解Ls-dyna ICFD不可压缩流心脏瓣膜模拟。从Ls-dyna ICFD求解器介绍、Ls-dyna ICFD基本功能介绍以及Ls-dyna ICFD心脏瓣膜模拟这几个方面进行解析。

1.Ls-dyna ICFD求解器介绍

不可压缩流动求解器基于应用于流体力学的现有有限元技术。它与固体力学求解器完全耦合。FSI耦合分析，允许通过显式技术进行稳健的弱FSI耦合分析，或使用隐式进行强 FSI耦合分析。除了能够处理自由表面流动之外，使用保守的水平集界面跟踪技术,还可进行双相流分析功能。还支持基本湍流模型。

本求解器是Ls-dyna中第一个应用新的体网格划分器，它只需将流体域边界的高质量表面网格作为输入，然后由程序自动生成体网格。另外，在随着不可压缩流的时间推进期间，求解器将自适应地重新网格化输入求解器特点。网格划分器的另一个重要特征是能够创建边界层网格。当在流体壁附近计算剪切应力时，这些各向异性边界层网格是模型求解关键。

图 1 ICFD汽车外流场、水流冲击大坝、圆柱扰流案列

2. LS-DYNA ICFD 基本功能

2.1自动体网格生成

ICFD求解器使用自动体网格器划分流体域。这极大地简化了前处理阶段，而且，提供高质量的表面网格。对于FSI流-固耦合分析，求解器使用ALE方法进行网格移动。在 FSI模拟导致大位移的情况下，求解器可以自动重新网格化以保证可接受的网格质量。

图 2 ICFD自动生成边界层及体网格

2.2网格细化和自适应网格划分工具

Ls-dyna为用户提供了几种工具用于细化局部体网格，以便更好地捕获网格敏感现象，例如湍流涡流或边界层分离和再附着。在几何体设置期间，网格划分器可以根据用户指定曲面，生成体积内的局部网格尺寸。如果没有使用内部网格来指定大小，则网格器将使用封闭体的表面大小进行线性插值。为了能更好的模拟壁面效应，还可以添加一些各向异性的边界层网格。另一种可能性是激活自适应网格细化特征。求解器将使用后验误差（a-posteriori error）估计器来计算由用户界定的新网格大小，以满足最大感知全局误差，这将简化网格生成，同时提供准确的结果。

图 3 ICFD根据流场压力变化进行自适应网格重新剖分

2.3流体与结构耦合分析

Ls-dyna求解器的主要目标不仅是解决Navier Stokes方程，而且希望解决完全耦合的 FSI流-固耦合问题，其中结构部分可以是任何拉格朗日模型。因此，力学问题的设置与传统的Ls-dyna分析相同。所有FSI流-固耦合边界都是拉格朗日变形，其结构允许精确地施加边界条件。结构力学的显式和隐式求解器都可以被激活使用，从而可以实现弱 FSI流-固耦合分析或强FSI流-固耦合分析。

FSI 分析有三种耦合方向：

双向耦合。载荷和位移通过 FSI 接口传递，解决了完整的非线性问题。

单向耦合。固体力学求解器将位移传递给流体求解器。

单向耦合。流体求解器将应力传递给固体力学求解器。

图 4 ICFD单向及双向流固耦合

2.4湍流模型

在高雷诺数流动的情况下，对于正确地再现涡旋现象，依赖湍流模型的选择，边界层层流到湍流过渡和其他湍流三维行为是至关重要的。以下几种湍流模型可用：

RANS模型。RANS方程确定平均流量，但它们需要湍流模型来关闭它们。这些方程由不同的 RANS 模型提供，假设流动有不同的假设。

k-ε模型，这是 CFD 中使用最广泛的湍流模型之一。

LES 模型。随着计算机计算效率的提高，LES模型已经成为一种流行的技术，以模拟湍流模型。这些模型基于以下的假设：大涡旋包含流动的大部分动能并且取决于几何形状，而较小的涡旋被认为更通用且独立于流动的几何形状。因此，LES模型将对流动应用滤波器，直接解决大涡流，同时模拟较小的涡流。

图 5 ICFD湍流模型

3. LS-DYNA ICFD 心脏瓣膜模拟

3.1模型介绍

本血流动力学实例突出了ICFD求解器的最强 FSI 能力。由于压力差，心脏瓣膜小叶打开以允许血液流动。然后，强烈的反压迫使它们再次关闭，血流量减少。本案列中对于瓣膜和血管壁均采用超弹性材料模型，难点在于当瓣膜在压力驱动下张开时，会带动流体网格产生较大的变形，通常为避免网格拉扯出现负体积，一般结合动网格，例如Comsol动网格。但即便如此，仍会存在无法继续计算的问题，下图6展示为Comsol拉普拉斯动网格模型，并当网格质量较差时，打开网格重新划分，但是即使这样，当变形较大时，计算仍然停止了，上文介绍的ICFD网格自适应技术能够很好的弥补这点缺陷。