Fluent 流固耦合基礎(chǔ)教程

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1、Fluent流固耦合基礎(chǔ)教程Fluent流固耦合基礎(chǔ)教程流固耦合基礎(chǔ)教程（流固耦合基礎(chǔ)教程（（（上上上上））））作者Seventy721，2012年2月（本文版權(quán)屬于作者，歡迎轉(zhuǎn)載，但是請(qǐng)保留作者信息）最近用fluentUDF做了個(gè)彈性梁的流固耦合問(wèn)題。這里把經(jīng)驗(yàn)跟大家分享一下。這個(gè)帖子主要是介紹基本操作和程序編寫(xiě)，算是掃盲貼；對(duì)于CFD，有限元、梁理論、流固耦合原理不做過(guò)多探討，請(qǐng)大家見(jiàn)諒。另外作者水平有限，時(shí)間精力也有限，寫(xiě)得不好也請(qǐng)見(jiàn)諒了。作者假設(shè)讀者熟悉Fluent，對(duì)CFD的基本概念有所了解，具備一定的

2、C/Fortran語(yǔ)言編程技能，并且了解有限元的基本理論和程序編寫(xiě)。不過(guò)即使背景有所欠缺也無(wú)妨，點(diǎn)是了解基本流程和操作方法。1.流固耦合問(wèn)題的種類(lèi)流固耦合問(wèn)題可以分為很多種。按照耦合程度分類(lèi)，可以分為強(qiáng)耦合問(wèn)題和弱耦合問(wèn)題。但是這種分類(lèi)方法有兩個(gè)流行的版本。第一版本根據(jù)流體和固體之間相互影響的程度來(lái)劃分，在工業(yè)應(yīng)用中談得比較多。如果固體運(yùn)動(dòng)很小，對(duì)流場(chǎng)的影響不大，則認(rèn)為是弱耦合。比如金屬管道內(nèi)的水流引起的管壁運(yùn)動(dòng)，機(jī)翼的振顫等，可以屬于這類(lèi)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)不夠發(fā)達(dá)的時(shí)代，這類(lèi)問(wèn)題一般采用簡(jiǎn)化的流場(chǎng)模型，如簡(jiǎn)單幾何形

3、狀的理想流體，解析出由于固體運(yùn)動(dòng)而引起的流場(chǎng)作用力，然后再將這些作用力施加到固體控制方程上，從而得到附加質(zhì)量，附加粘度，附加剛度，以及其他非線(xiàn)性項(xiàng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)這類(lèi)問(wèn)題的直接數(shù)值模擬逐漸成為可能。如果固體變形或運(yùn)動(dòng)比較大，其對(duì)流場(chǎng)的影響不可忽略，則屬于強(qiáng)耦合。強(qiáng)耦合問(wèn)題必須對(duì)流場(chǎng)和固體進(jìn)行細(xì)致的計(jì)算，充分考慮固體變形對(duì)流場(chǎng)的影響。閥門(mén)開(kāi)閉，血液通過(guò)血管瓣膜，旗幟在風(fēng)中飄舞，等都屬于這類(lèi)問(wèn)題。解決這類(lèi)問(wèn)題需要依靠數(shù)值模擬，傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型很難應(yīng)用在這類(lèi)問(wèn)題上。第二個(gè)版本根據(jù)流體和固體求解的模式來(lái)劃分，在學(xué)

4、術(shù)領(lǐng)域用的比較多。強(qiáng)耦合問(wèn)題被認(rèn)為是流場(chǎng)和固體變形必須同時(shí)求解的問(wèn)題。帶有滲流的多孔介質(zhì)變形問(wèn)題可以算這類(lèi)問(wèn)題。弱耦合問(wèn)題則是流場(chǎng)和固體變形可以分開(kāi)求解，但是二者的信息交換通過(guò)循環(huán)迭代完成。多數(shù)工程問(wèn)題都可以算做這類(lèi)問(wèn)題。這里我要講的是第一類(lèi)劃分標(biāo)準(zhǔn)中的弱耦合問(wèn)題，但所用的數(shù)值方法也可以應(yīng)用到強(qiáng)耦合問(wèn)題中，只是結(jié)構(gòu)體的有限元方法需要采用大變形理論。按照第二種劃分標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，這里解決的是流場(chǎng)和固體變形/運(yùn)動(dòng)分別求解，兩場(chǎng)之間的相互作用通過(guò)迭代實(shí)現(xiàn)。2.流固耦合流固耦合問(wèn)題的數(shù)值模擬流固耦合問(wèn)題的數(shù)值模擬既然是數(shù)值模擬

5、，則需將系統(tǒng)方程在時(shí)域上離散。在每個(gè)時(shí)間步上分別解算流體域和固體域。固體的變形或位移導(dǎo)致流固邊界的運(yùn)動(dòng)。這個(gè)運(yùn)動(dòng)以動(dòng)網(wǎng)格的形勢(shì)傳遞給流場(chǎng)，然后求解流場(chǎng)。流場(chǎng)的解則包括了這個(gè)運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的反力。將這個(gè)反力反饋給固體，求解其下一時(shí)間步的響應(yīng)。如圖圖圖1所示。1圖圖圖1以上的概念恐怕大家都清楚，只是談到實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，需要做很多細(xì)致的工作。當(dāng)然，如果大家有ANSYS14WorkBench，則流固耦合問(wèn)題很容易解決，因?yàn)榇蟛糠值墓ぷ鞫甲詣?dòng)化處理了。但是如果只用Fluent，則需要做一些工作。即便使用先進(jìn)的數(shù)值模擬工具，如果能弄

6、清楚整個(gè)流程以及其中的一些技巧，也會(huì)對(duì)提高效率以及保證精度有所幫助。下面就講講具體怎么做。3.流固耦合例題既然是具體講，就不如找個(gè)例題來(lái)說(shuō)。圖圖圖2是一根柔軟的彈性梁，浸泡在在直徑為Dt的圓截面管道里。梁的截面也是圓形，直徑為D，長(zhǎng)度為L(zhǎng)。梁的兩端為鉸接。整個(gè)結(jié)構(gòu)是三維結(jié)構(gòu)。梁可以在三維空間里彎曲。流體為水，梁中點(diǎn)所在截面上的平均流速為U。管道入口處的流速為Uin。上游長(zhǎng)度為L(zhǎng)up，下游長(zhǎng)度為L(zhǎng)dw。上下游的長(zhǎng)度分別為10D。圖圖圖24.流體模型流體模型的建立是關(guān)鍵的一環(huán)，因?yàn)榱黧w模型的好壞直接影響到所得解的合理

7、性。建立好的2流體模型需要利用流體力學(xué)知識(shí)對(duì)所處理的問(wèn)題進(jìn)行綜合分析。根據(jù)流體的雷諾數(shù)和其它特征建立合適的網(wǎng)格，選擇合理的湍流模型和算法。我們希望流體模型能夠盡量準(zhǔn)確地捕捉到梁表面的力，因此準(zhǔn)確的near-wall處理方法很重要。采用wallfunction還是精確地模擬邊界層，需要給出適當(dāng)?shù)睦碛?。由于我們處理的是?dòng)力問(wèn)題，希望模型對(duì)梁表面力的變化給出準(zhǔn)確的值。采用動(dòng)態(tài)k-epsilon或者k-omega湍流模型計(jì)算所得的激勵(lì)幅值明顯偏小，這是由于雷諾平均造成的。這里我們采用對(duì)流體動(dòng)力特性捕捉比較好的大渦湍流模型

8、(LargeEddySimulation,LES)。LES對(duì)near-wall處理方法要求比較高，需要邊界上的第一層網(wǎng)格厚度滿(mǎn)足y+~1。在Gambit里可以方便地建立邊界層網(wǎng)格，達(dá)到以上要求。如何建立良好的網(wǎng)格是個(gè)復(fù)雜的話(huà)題，這里且不涉及。由于固體-液體邊界要移動(dòng)，流體網(wǎng)格必須改變，需要運(yùn)用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。此時(shí)建模的時(shí)候需要將動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域和不動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域分開(kāi)，如圖圖圖3所示。圖