淺談流固耦合：幾個(gè)基礎(chǔ)問題及解決相關(guān)問題的軟件

2016-09-20 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

編者按:本文發(fā)表于若干年前,但是其中涉及的基礎(chǔ)問題仍然具有很好的借鑒意義。文章來自于網(wǎng)絡(luò),作者為某論壇版主,但百度檢索未能找到其原始出處,故未能標(biāo)明出處和作者,望見諒!

作為流流合版塊的版主,我感到慚愧。因?yàn)槲規(guī)缀蹙蜎]真正應(yīng)用流固耦合做過工程。第一次應(yīng)用流固耦合還要追溯到做碩士畢業(yè)論文的時(shí)候,當(dāng)時(shí)做的是高壓水射流切割,屬于一個(gè)大課題中的小項(xiàng),主要用的軟件是fluent。

但是利用fluent是沒辦法計(jì)算射流的切割效果的,流體軟件只能計(jì)算流場參數(shù)(壓力、速度、溫度等),對于應(yīng)力計(jì)算實(shí)在是力不從心。我不知道導(dǎo)師是從哪里聽來的風(fēng)聲,說讓使用mpcci將fluent與abaqus耦合計(jì)算固體變形乃至斷裂。當(dāng)時(shí)也是初生牛犢不怕虎,老師說用那就用唄,于是開始關(guān)注固體計(jì)算,關(guān)注abaqus,關(guān)注mpcci。然而現(xiàn)實(shí)是殘酷的,流體與固體采用不同的計(jì)算網(wǎng)格(流體用歐拉網(wǎng)格,固體采用拉格朗日網(wǎng)格),對于斷裂的問題,單純采用abaqus勉強(qiáng)可算,然而耦合上流體之后,通常計(jì)算會以出現(xiàn)負(fù)體積而告終。

多次的失敗終于磨滅了導(dǎo)師的耐心,于是項(xiàng)目轉(zhuǎn)而采用LS-DYNA的ALE進(jìn)行解決,而我的畢業(yè)論文,則徹底的舍棄了這一部分。搞射流的自然離不開噴嘴的設(shè)計(jì),在研究射流噴嘴結(jié)構(gòu)在高壓流體作用下的材料行為,于是又涉及到了流固耦合問題,這次很幸運(yùn),雖然壓力很高,然而壓差并不大,噴嘴的變形處于彈性小變形階段,我采用workbench中的CFX+ANSYS mechanic圓滿的完成了任務(wù),計(jì)算的是雙向流固耦合,雖然到現(xiàn)在也不敢去評判計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,但好歹也是計(jì)算完畢,順利的通過了畢業(yè)答辯。

說起流固耦合,其實(shí)包含的范圍很寬。我們做流體,其實(shí)就包含了流場、溫度場、組分場等的計(jì)算。

流固耦合包含的以下幾類問題:

(1) 單向流固耦合。通常是忽略固體變形對流場的影響。

(2) 雙向流固耦合。考慮流場對固體變形的影響,同時(shí)也要考慮固體形變對流場的影響。計(jì)算量很大,而且很難收斂。

(3) 熱應(yīng)力計(jì)算。這個(gè)主要是溫度與結(jié)構(gòu)的耦合。計(jì)算結(jié)構(gòu)在溫度變化影響下的應(yīng)力應(yīng)變分布。

流固耦合計(jì)算量相當(dāng)大,主要是因?yàn)楣腆w計(jì)算對內(nèi)存的消耗很大。因此在工程上,若不是特別需要的話,盡量少用流固耦合,能用單向耦合計(jì)算的盡量不用雙向耦合,能不用耦合的盡量不用。因?yàn)橛?jì)算資源要求太高,必然導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量的下降,導(dǎo)致計(jì)算精度的降低。

那么什么時(shí)候需要用流固耦合呢?

(1) 流體與固體耦合非常強(qiáng)烈時(shí)。如風(fēng)中飄動的紅旗。這通常是由于固體剛度比較小,變形比較大的原因所引起。

(2) 對于一些涉及到考慮流場中的固體應(yīng)力計(jì)算問題,通常要采用流固耦合方法。

流固耦合計(jì)算的數(shù)據(jù)傳遞方式及傳遞物理量:

(1) 對于單向耦合,通常傳遞的物理量為壓力。實(shí)際上是將流體計(jì)算的壓力當(dāng)作載荷加載在固體上,計(jì)算固體的應(yīng)力應(yīng)變。

(2) 雙向耦合問題,通常在每一步都需要傳遞數(shù)據(jù),流體計(jì)算傳遞的數(shù)據(jù)為壓力,固體求解器所傳遞的數(shù)據(jù)為節(jié)點(diǎn)位移。這樣在每一次迭代后更新固體載荷與流場情況。

強(qiáng)耦合與弱耦合的問題:

強(qiáng)耦合主要是指將固體與流體計(jì)算所需的物理量耦合在一個(gè)大系統(tǒng)中進(jìn)行求解,目前還沒有任何軟件能解決強(qiáng)耦合問題。而弱耦合則是流場與固體變形分別計(jì)算,只是在不同求解器間傳遞數(shù)據(jù),當(dāng)前幾乎所有流固耦合問題求解器都只能求解弱耦合問題。

能解決流固耦合問題的軟件:

ADINA:能在一個(gè)軟件中解決流固耦合問題,包含有流場求解與固體求模塊,非線性求解能力很強(qiáng),綜合能力也不錯(cuò)。只是前處理功能弱一些。

CFX+Mechanic:ANSYS workbench中位移能求解雙向耦合的組合,受mechanic求解非線性能力的限制,對于大變形強(qiáng)非線性問題,求解經(jīng)常出錯(cuò)。此組合亦可求解單向耦合。

FLUENT+Mechanic:此組合只能求解單向耦合問題。先算流場,將壓力數(shù)據(jù)導(dǎo)入只mechanic計(jì)算應(yīng)力。

MPCCI:相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平臺,能耦合很多求解器,如fluent+abaqus,應(yīng)當(dāng)說是最專業(yè)的流固耦合平臺。

comsol:據(jù)說是專業(yè)的多物理場計(jì)算軟件,具體沒用過,不好說。

abaqus:專長在于固體計(jì)算,但是自從6.10版之后添加了CFD模塊,沒用過,不知道能力如何,不過對于abaqus公司的研發(fā)能力應(yīng)當(dāng)值得期待。 star ccm+:這個(gè)軟件很有意思,里頭包含了一個(gè)利用FVM計(jì)算固體應(yīng)力的模塊,看了例子,不知道計(jì)算準(zhǔn)不準(zhǔn)確。

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