淺談流固耦合:幾個基礎(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。因為我?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)論文的時候,當時做的是高壓水射流切割,屬于一個大課題中的小項,主要用的軟件是fluent。


但是利用fluent是沒辦法計算射流的切割效果的,流體軟件只能計算流場參數(shù)(壓力、速度、溫度等),對于應(yīng)力計算實在是力不從心。我不知道導(dǎo)師是從哪里聽來的風聲,說讓使用mpcci將fluent與abaqus耦合計算固體變形乃至斷裂。當時也是初生牛犢不怕虎,老師說用那就用唄,于是開始關(guān)注固體計算,關(guān)注abaqus,關(guān)注mpcci。然而現(xiàn)實是殘酷的,流體與固體采用不同的計算網(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勉強可算,然而耦合上流體之后,通常計算會以出現(xiàn)負體積而告終。


多次的失敗終于磨滅了導(dǎo)師的耐心,于是項目轉(zhuǎn)而采用LS-DYNA的ALE進行解決,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,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,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),計算的是雙向流固耦合,雖然到現(xiàn)在也不敢去評判計算結(jié)果的準確性,但好歹也是計算完畢,順利的通過了畢業(yè)答辯。


說起流固耦合,其實包含的范圍很寬。我們做流體,其實就包含了流場、溫度場、組分場等的計算。


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??紤]流場對固體變形的影響,同時也要考慮固體形變對流場的影響。計算量很大,而且很難收斂。


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


流固耦合計算量相當大,主要是因為固體計算對內(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,能用單向耦合計算的盡量不用雙向耦合,能不用耦合的盡量不用。因為計算資源要求太高,必然導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量的下降,導(dǎo)致計算精度的降低。


那么什么時候需要用流固耦合呢? 

(1) 流體與固體耦合非常強烈時。如風中飄動的紅旗。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)力計算問題,通常要采用流固耦合方法。


流固耦合計算的數(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。實際上是將流體計算的壓力當作載荷加載在固體上,計算固體的應(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)點位移。這樣在每一次迭代后更新固體載荷與流場情況。


強耦合與弱耦合的問題:

強耦合主要是指將固體與流體計算所需的物理量耦合在一個大系統(tǒng)中進行求解,目前還沒有任何軟件能解決強耦合問題。而弱耦合則是流場與固體變形分別計算,只是在不同求解器間傳遞數(shù)據(jù),當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,綜合能力也不錯。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,對于大變形強非線性問題,求解經(jīng)常出錯。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計算應(yīng)力。 


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


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


abaqus:專長在于固體計算,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)當值得期待。 star ccm+:這個軟件很有意思,里頭包含了一個利用FVM計算固體應(yīng)力的模塊,看了例子,不知道計算準不準確。  




聲明:本轉(zhuǎn)載版權(quán)歸原作者所有,如轉(zhuǎn)載稿涉及版權(quán)等問題,請立即聯(lián)系我們,我們會予以更改或刪除相關(guān)文章,保證您的權(quán)利!


開放分享:優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才

相關(guān)標簽搜索:淺談流固耦合:幾個基礎(chǔ)問題及解決相關(guān)問題的軟件 Fluent培訓(xùn) Fluent流體培訓(xùn) Fluent軟件培訓(xùn) fluent技術(shù)教程 fluent在線視頻教程 fluent資料下載 fluent分析理論 fluent化學(xué)反應(yīng) fluent軟件下載 UDF編程代做 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 

編輯
在線報名:
  • 客服在線請直接聯(lián)系我們的客服,您也可以通過下面的方式進行在線報名,我們會及時給您回復(fù)電話,謝謝!
驗證碼

全國服務(wù)熱線

1358-032-9919

廣州公司:
廣州市環(huán)市中路306號金鷹大廈3800
電話:13580329919
          135-8032-9919
培訓(xùn)QQ咨詢:點擊咨詢 點擊咨詢
項目QQ咨詢:點擊咨詢
email:kf@1cae.com