流固耦合经验浅谈

一、定义

        流固耦合，简单来说就是变形固体在流体作用下（受力、受热）的各类行为，涉及到流场和结构的耦合计算，其本质上属于多个物理场的耦合行为，其关键点在于流体和固体之间的相互作用。

二、应用范围及分类

        流固耦合行为在自然中随处可见，如失控船舶的随波逐流、树木在大风天气下的摇摆、储液罐的晃动受力、海上平台受风浪侵袭等；但从仿真的角度来看，根据数据是否需要往复传递分为单向流固耦合和双向流固耦合；

        其中以fluent（流体仿真计算）和Workbench中的structural（结构仿真计算）为例，

        单向耦合指：fluent计算流体工况，将耦合面上的压力数据导入到structural中，从而计算结构仿真的应力、应变等参数，但认为变形量不大，不足以影响原先的流场形态，故变形位移不回传给fluent；

        双向耦合指：fluent计算流体工况，将耦合面上的压力数据导入到structural中，从而计算结构仿真的应力、应变等参数，但认为变形量足够大，足以影响原先的流场形态，故将变形位移回传给fluent，从而再次计算在新的固体形状下的流场数据，得到耦合面上新的压力数据；不断重复该过程，直至计算完成；

        注：上述仅涉及流固耦合中的force和displacement的传递；如果还涉及到热的双向传递，可采用三种方式：1是传递heat transfer coefficient、near wall temperature和temperature；2是传递temperature和heatflow；3是采用共轭换热方式，在fluent中将热场在流体和固体中耦合；后续可详细展开该部分；

三、仿真模块介绍

        市面上的仿真模块众多，可实现流固耦合的不在少数，无论是单一模块实现，还是多模块的耦合仿真；比如前者包括：LS-DYNA（19年已被ANSYS收购）和autodyn，均包括相应流体单元，可实现较为复杂的、高度非线性的流固耦合工况；比如后者包括：ANSYS旗下的流体模块fluent及CFX，结构模块Workbench的structural；达索旗下的流体模块xflow和结构模块ABAQUS等等；均可以通过开放的接口进行数据的传递；

        那么问题来了，这么多模块，到底哪个好？

        实际上仿真的目的就是为了解决问题！那么一方面对于常规工况，各大软件的相应模块肯定都能实现，对于个人而言只是熟练与否、学习资源多少的问题；打个比方，自己之前学过fluent，而且有认识的朋友、老师会相应的仿真工况，那显然再去学个Workbench是最合适自己的；另一方面还跟具体的工况有关，比如某些特别复杂、高度非线性的流固耦合工况，采用LS-DYNA就是更好的选择（如果采用耦合模块来做，估计能报错发散到怀疑人生？）

        举例说明，该物资空投案例来自ANSYS与法国DGA航空系统的成功合作；背景如下：在货物空投过程中，要保证与地面冲击后，货物不受损坏；那么其关键所在就是最终着陆是的速度和姿态；但货物出仓后的姿态角度、自由落体、下降中降落伞的打开过程、完全打开后的下落过程均会影响最终的速度和姿态；整个仿真将其分为一下几个部分：

        工况1、货物出仓过程；

        飞机外流场由fluent计算，货物运动过程由overset处理；Workbench结构模块计算货物传动，考虑摩擦力、重力等；通过该双向FSI（fluid structure interaction）得到出仓后的姿态；

        工况2、自由落体过程（降落伞未开启）

        属于刚体降落，可单独用fluent的6DOF来处理，其初始状态由工况1获得；

        工况3、降落伞开启

        该部分涉及高度变形，采用ls-dyna进行处理，得到最终降落伞开启后的状态，其初始状态由工况2获得；

        工况4、开启降落伞后的下降过程

        采用双向FSI处理，得到最终着陆前的角度和速度，其初始状态（降落伞完全开启）由工况3获得；

        工况5、着陆

        典型的跌落工况，由ls-dyna处理，考虑最终货物的受损情况；

四、涉及到知识点

        针对于流固耦合工况（特别是双向）而言，涉及到的知识点非常的多；以fluent与Workbench中的structural为例（事实上是CFX、ABAQUS、ls-dyna等我都不会，惭愧）；通常用到的知识点如下：

        模型方面：建议spaceclaim，对模型的修复处理效果极佳；

        网格方面：建议ANSYS mesh（就是workbench里面的那个），其网格结构流体都可以用，而且上手简单，操作方便；

        流体方面：常规的流体设置，动网格或者overset；涉及到双向热流固耦合，也可以用到共轭换热的内容；

        结构方面：常规的结构设置，各类接触及可能用到的APDL命令等

        耦合方面：Workbench下的system coupling；主要是理解数据传递及其计算工作的原因；

五、个人的一些建议

        1、能单向就单向，尽量不做双向流固耦合

        不管是做科研还是做项目，仿真都是一种工具手段，目的是为了解决问题；而解决问题又得考虑时间、经济和精度的成本；而相对于单向耦合而言，双向耦合无论是计算时间、调试精力、硬件资源都是远远超出的；所以能单向耦合解决的问题，尽量避免用双向耦合；

        2、双向耦合调试过程要有心理准备

        双向耦合过程涉及到的内容太多了，发散的原因包括网格质量不高、动网格参数设置不合理、运动变形设置错误、时间步长不合理、各类载荷施加不正确、前后数据传递量相差太大等等。既然要做双向耦合过程，那么就需要足够的耐心，根据工况描述、报错信息等逐步判断原因；

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