流固耦合|01流固耦合分类

导读:介绍流固耦合(Fluid Structure Interaction)的分类。

流固耦合定义

当流体流动与固体结构相互作用时,仿真计算就会涉及到流固耦合。

  • 流动会产生压力或者热负荷,可能导致结构显著的变形,足以改变流体流动本身(双向相互作用);或者变形量很小,对流动影响很小(单向)。

  • 固体受外力作用发生变形或移动,驱动流体流动,或对流体带来热负荷,同样也存在单向/双向相互作用。

计算方法

FSI可以根据流场跟固体场之间的物理耦合程度进行分类,物理上强耦合的场需要强数值耦合,相对独立的解场可以用较弱的耦合甚至非耦合方式(单向)求解。

1、Fully Coupled(完全耦合)

  • 体跟固体场的控制方程需要在同一个求解矩阵求解,就像是在fluent中连续方程与流动方程耦合求解。

  • 之间保持紧密的耦合。

  • 难以求解,无法适用mechanical-fluid耦合。

2、2-way Iteratively Implicit(双向迭代隐式)

  • 流体跟固体场的控制方程分别求解,就像湍流方程与CFD中的动量方程没有完全耦合一样,通常求解器也是分离的。

  • 在每个时间步长内迭代,得到一个隐式解("交错循环")。

  • 可用mechanical-fluid耦合。

3、2-way Explicit(双向显式)

  • 与隐式类似,除了在时间步内流体和固体场之间没有迭代。

  • 固体场的计算是基于前一个时间步流体场的计算结果,反之亦然。

  • 可以在mechanical-fluid使用单一耦合迭代,通常不推荐。

  • 更少的求解步数。

4、1-way(单向)

  • 得到了一个场的收敛解,然后作为第二个场的边界条件或外部载荷

  • 适用于弱物理耦合。

  • Mechanical -- Fluent中自动数据传输,易于实现。

显式与隐式

在FSI耦合的中,隐式方法和显式方法不要与"隐式求解器"或"显式求解器"相混淆,"隐式/显式求解器"指的是对方程中的瞬态项是否使用隐式/显式公式。

FSI中,显式表示流体场和固体场分别求解,在一个时间步长内没有耦合迭代;

隐式意味着流体场和固体场之间的依赖关系在一个时间步长内收敛。通过耦合迭代=迭代隐含;通过使用一个单一的流体-固体矩阵=完全耦合(和自然隐式)

Workbench中的FSI

1、 静态数据传输

Fluent/Mechanical运行完成,然后使用结果生成Fluent/Mechanical的载荷/边界条件;通常是单向耦合。

2、 协同仿真

Fluent和MAPDL求解器同时运行,以交换数据;单向或双向都可以。

协同仿真也包括其他形式,具体如下:

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