一.流固耦合面临的挑战
结构设计的高度专业化。在结构设计上，不确定性越高，设计就会越保守。要开发安全产品又不过于保守就要消除这种不确定性，因此有必要准确地知道结构在工作中负载对它起到的作用，流固耦合是精确预测流动载荷的关键技术。比如著名的塔科马海峡大桥，设计师兼顾了观赏性和建造成本，但微风就能引气桥面剧烈晃动，最终仅建成四个月就被摧毁，这是典型的流固耦合问题。
结构的轻量化趋势。轻量型结构与传统结构相比具有更小的重量，刚度也是如此，这反过来又增加了结构和流体之间的物理耦合程度。
创新需求。对于轮机、管路、翼型等，预测系统或部件在流体流动下的性能是此类产品创新的关键。比如风机叶片，长达数十米，工作状态时必然存在叶片变形，有必要分析风载荷对结构强度的影响，叶片变形对发电效率的影响，这样才能更好的指导叶片设计的改进。
二.流固耦合技术需求
按照结构与流体间相互影响的程度，可以把流固耦合分为单向耦合和双向耦。
单向耦合是一种弱耦合，通常结构小变形、振动时，只需考虑流动载荷对结构变形的单向影响；双向耦合是强耦合，当流动引起结构的加大变形，同样结构的变化对流动的影响也不能忽视。
关键技术需求
1）求解器离散方式的选择，这会影响到流固耦合模拟的精度；
2）流体求解器和固体求解器间的数据交互；
3）流固耦合交界面上非共性网格的数据传递问题；
4）流体域中要反映结构的变形，需要流体网格变形模型。
1、流固耦合实现方式
STAR-CCM+中流固耦合实现方式大概为三种，基于文件的耦合、协同仿真和软件内的耦合。
基于文件的耦合是通过存储在计算机磁盘中的文件在程序间进行交换，能够实现单向和双向耦合。比如在STAR-CCM+内计算得到流场及温度场，以第三方格式导出到结构模型，通过第三方工具内执行应力计算。此种方式支持Nastran、Abaqus、Ansys等。
协同仿真需要与其他结构软件联合求解，需要分别设置固体域模型和流体域模型，虽然也用到第三方软件求解，但协同仿真使用协同仿真引擎来执行耦合，涉及两个代码之间的强耦合，仿真过程中两个模型间自动交换数据，这种方式优于基于文件的耦合。STAR-CCM+支持与Nastran和Abaqus进行联合仿真。
STAR-CCM+单个软件内的耦合，STAR-CCM+能够进行流体控制方程和结构控制方程的求解，可以使用有限体积的流动和有限元的结构来实现流固耦合仿真。
2、STAR-CCM+软件内流固耦合技术优势
1）成熟的离散化方法
STAR-CCM+采用了最成熟的求解方式，在单一环境中有限体积和有限元求解器实现紧密的求解耦合，有限体积（欧拉坐标系）是计算流体动力学中最成功、最通用、最成熟的离散化方法，有限元（拉格朗日坐标系）同样是结构力学中非常成功、通用、成熟的方法。
2）消除软件级数据交互
结构求解器和流体求解器处于同一环境内，无需额外的数据传输，实现求解的紧密耦合。而前面介绍的两种耦合方法，基于文件的耦合和协同仿真都要与其他软件通信，进行大量软件级的数据交互。
3）映射接触交界面
流固耦合交界面的处理是流固耦合计算中的关键技术。建立流固耦合模型时需要在流体域和固体域间添加交界面，但流体网格通常比固体网格更加精细，交界面网格节点不存在一一对应的关系，交界面间是非共形网格。STAR-CCM+中流固耦合交界面使用映射接触交界面，这种交界面不是压印连接，而是依赖于交界面各面之间的间接关联，用于数据映射器，这样做的好处是允许交界面上存在非共形网格、映射过程没有网格发生压印，能够保留最初创建的高质量网格。
4）刚体运动与变形叠加
为了在流体域中反映结构的变形，需要建立网格变形模型。在一些流固耦合的应用中，结构在变形的同时经历了较大的刚体变形，结构的位移是刚体运动和变形的组合。比如固定在船上的螺旋桨随着船体晃动的同时在水中耦合变形，作用在螺旋桨上的流体载荷和刚体运动产生的加速度载荷作为载荷传递给螺旋桨的结构模型。结构模型计算产生位移，螺旋桨周围的流体网格随之变形。
STAR-CCM+提供了多种形式，可以根据实际模拟的运动情况选择合适的方案，要注意的是某些运动形式只能完成双向或单向耦合。
1、计算域模型
几何模型为四叶风扇，固体域部分为扇叶。通过添加进口段和出口段，形成封闭的流体计算域，风扇通过滑移网格模拟，旋转区域和固定区域之间通过Interface连接。
2、设置流程
3、固体域设置
1）网格采用定向网格（Directed Mesh）划分，生成楔形网格，并采用高阶单元。
2）物理模型选择：
3）通过段（Segment）添加固定约束：
4）定义运动：添加旋转运动节点，并更改固体域移动方式为旋转。
4、流体域设置
5、计算结果
五.总结
STAR-CCM+提供了成熟的流固耦合方法，丰富的变形模型保证了其能在更多领域、场景中应用。通过流固耦合计算，能够精确预测结构受到的流动载荷、结构的应力及变形。STAR-CCM+中，可以用上述案例的方法进行旋转机械的流致振动的耦合计算，进行气动弹性及响应分析等，流固耦合已经成为研究复杂非定常流动及叶片振动的有力工具。
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