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。

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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

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        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;

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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;

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        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;

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        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;

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        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;

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        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;

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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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        课程链接:https://www.jishulink.com/college/video/c14697

        最后,宣传一波,本人在技术邻上有相应的流体专题课程,技术邻官网搜索“随波逐流”即可;

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赞,降落伞如果折叠完在做打开就更完美了
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