本文介紹如何在Fluent中對(duì)單向和雙向流固耦合(FSI)進(jìn)行建模和仿真計(jì)算。由于所有的流體與結(jié)構(gòu)計(jì)算都是由Fluent完成的，因此這種流固耦合又被稱為“內(nèi)置流固耦合”。在ANSYS系統(tǒng)中，流固耦合計(jì)算還可以使用System Coupling模塊及Mechanical模塊配合Fluent來實(shí)現(xiàn)。

1 模型介紹及局限性

Fluent內(nèi)置的流固耦合(FSI)功能允許完全模擬單向或雙向的FSI問題。單向流固耦合問題假設(shè)只有流體側(cè)會(huì)通過作用在結(jié)構(gòu)上的流體壓力對(duì)固體側(cè)產(chǎn)生影響。由于沒有來自固體側(cè)的反饋信息，單向FSI模擬可以同時(shí)計(jì)算流體流動(dòng)和結(jié)構(gòu)變形，也可以在流體模擬完成后單獨(dú)計(jì)算固體側(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力。但如果固體區(qū)域的變形對(duì)流體流場(chǎng)有較大影響，則必須通過在流體域中啟用動(dòng)網(wǎng)格而將其考慮為雙向流固耦合。

結(jié)構(gòu)方程求解存在以下局限性：

• 結(jié)構(gòu)模型僅支持以下網(wǎng)格類型：2D模型中只支持四邊形網(wǎng)格和/或三角形網(wǎng)格；3D模型中只支持六面體網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格、楔形網(wǎng)格和/或金字塔網(wǎng)格類型。注意固體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中不支持多面體網(wǎng)格。
• FSI模型初始化和/或啟動(dòng)后，不允許替換網(wǎng)格。因?yàn)榫W(wǎng)格將被分割，并且在有限元分析的情況下不支持后續(xù)的數(shù)據(jù)遷移。但是允許重新劃分流體區(qū)域，因?yàn)檫@不會(huì)影響固體區(qū)域的劃分。
• 流體與固體區(qū)域必須采用一致網(wǎng)格(共節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格)，且計(jì)算區(qū)域被雙側(cè)壁面分開(即壁面與影子面)
• 計(jì)算區(qū)域中至少應(yīng)該包含1個(gè)固體區(qū)域才能激活結(jié)構(gòu)計(jì)算模型
• 不支持以下動(dòng)網(wǎng)格選項(xiàng)：In-Cylinder、Six DOF、Contact Detection
• Intrinsic FSI類型只能在Dynamic Mesh Zones對(duì)話框中選擇雙側(cè)壁面中鄰接流體域的那一側(cè)壁面
• 對(duì)于與固體區(qū)域相鄰的壁面或介于固體和流體區(qū)域之間的壁面：
  • 唯一支持位移和力的UDF宏為DEFINE_WALL_node_DISP和DEFINE_WALL_node_force。所有其他邊界Profile文件或UDF(如DEFINE_PROFILE)將出錯(cuò)
  • 不支持Shell Conduction
• 結(jié)構(gòu)模型與以下模型不兼容
  • 2D軸對(duì)稱或軸對(duì)稱模型
  • 網(wǎng)格自適應(yīng)
  • 重疊網(wǎng)格
  • 網(wǎng)格morpher/optimizer
  • 英制或厘米-克-秒(CGS)單位
  • FMG初始化
  • 自適應(yīng)時(shí)間步長(zhǎng)
• 結(jié)構(gòu)模型不能在Workbench中的Fluent模塊里啟用
• 線彈性結(jié)構(gòu)模型只適用于應(yīng)力載荷不超過固體材料屈服強(qiáng)度的情況

2 設(shè)置FSI模擬

設(shè)置內(nèi)置FSI模擬的步驟如下所述。注意這里只列出與結(jié)構(gòu)模型相關(guān)的步驟。用戶還需要像往常一樣定義其他設(shè)置(例如其他材質(zhì)屬性、邊界條件、其他模型)。

注：在內(nèi)置FSI模擬中，建議使用Double Precision求解器。

”

基本使用步驟包括：

選擇模型樹節(jié)點(diǎn)General，在參數(shù)面板中設(shè)置計(jì)算為穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)，并且根據(jù)模型需要決定是否指定重力加速度

選擇模型樹節(jié)點(diǎn)Cell Zone Conditions指定固體區(qū)域參數(shù)

對(duì)于雙向FSI問題，建議先獲得流體的穩(wěn)態(tài)收斂解，然后繼續(xù)執(zhí)行下面步驟來設(shè)置和運(yùn)行結(jié)構(gòu)模型

利用模型樹節(jié)點(diǎn)Models → Structure打開結(jié)構(gòu)模型設(shè)置對(duì)話框，在其中選擇使用Linear Elasticity或Nonlinear Elasticity選項(xiàng)。線彈性模型在計(jì)算過程中結(jié)構(gòu)剛度矩陣保持不變，內(nèi)部載荷與節(jié)點(diǎn)位移成線性關(guān)系。非線性彈性模型允許對(duì)幾何非線性彈性進(jìn)行建模，以便模擬實(shí)體單元區(qū)域中的大變形。

進(jìn)入模型樹節(jié)點(diǎn)Materials，設(shè)置固體材料參數(shù)Youngs Modulus及Poisson Ratio

如果想要利用UDF定義作用在固體區(qū)域壁面節(jié)點(diǎn)上的位移或力，可以使用解釋或編譯的方式加載宏DEFINE_WALL_node_DISP或DEFINE_WALL_node_FORCE

對(duì)于每個(gè)固體區(qū)域壁面，在邊界條件設(shè)置對(duì)話框的Structure標(biāo)簽頁下設(shè)置邊界條件

Fluent中提供了4種類型的結(jié)構(gòu)邊界條件：

• Stress Free。指定固體位移不受流體流動(dòng)應(yīng)力載荷的影響。

• Node X-、Node Y-及Node Z-Force。指定固體位移由作用在節(jié)點(diǎn)上指定的力產(chǎn)生的。

• Node X-、Node Y-及Node Z-Displacement。直接指定作用在固體節(jié)點(diǎn)上的位移。

• Face Pressure。在固體壁面上指定面壓力。

• Intrinsic FSI。指定壁面位移是由流體流動(dòng)的壓力載荷引起的，只能作用在固體域雙側(cè)面上。

在典型的Fluent模擬中，對(duì)稱邊界條件作用于固體區(qū)域的壁面邊界。但是在內(nèi)置的FSI模擬中，此時(shí)應(yīng)該使用壁面邊界，然后適當(dāng)?shù)卦O(shè)置Structure選項(xiàng)卡。例如當(dāng)對(duì)稱平面為XY平面時(shí)，應(yīng)將x和y方向位移指定為Stress Free，然后將z方向位移指定為0

對(duì)于雙向FSI模擬，需要定義動(dòng)網(wǎng)格屬性以允許處理固體的變形區(qū)域。包括以下內(nèi)容：

• 激活動(dòng)網(wǎng)格Smoothing，且選擇使用Diffusion或Linearly Elastic Solid
• 對(duì)于涉及到強(qiáng)FSI的問題(如流體與固體密度相當(dāng)或大變形時(shí))，在Dynamic Mesh任務(wù)頁中啟用Implicit Update選項(xiàng)，并在Option對(duì)話框的Implicit Update選項(xiàng)卡中定義適當(dāng)?shù)膮?shù)
• 為雙側(cè)壁面緊鄰流體單元區(qū)域的一側(cè)定義Intrinsic FSI動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域

對(duì)于瞬態(tài)模擬，可以從Solution Methods任務(wù)頁的Structure Transient Formulation下拉列表中進(jìn)行選擇Newmark或Backward Euler以指定用于求解有限元半離散方程的直接時(shí)間積分法如果發(fā)現(xiàn)默認(rèn)值不能產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果，可以修改以下設(shè)置：

• 可以指定線性解算器用于結(jié)構(gòu)模型計(jì)算的解算方法。默認(rèn)情況下使用雙共軛梯度穩(wěn)定(BCGSTAB)方法。這個(gè)方法在速度和健壯性之間取得了很好的平衡。如果使用BCGSTAB檢測(cè)到發(fā)散，則可以使用廣義最小殘差(GMRES)方法進(jìn)行迭代作為回退以增強(qiáng)線性解算器的魯棒性，并且控制臺(tái)將通知“fe-structure”方程正在穩(wěn)定。如果發(fā)現(xiàn)殘差等級(jí)下降緩慢，可以嘗試使用以下文本命令從默認(rèn)值500增加最大內(nèi)部迭代次數(shù)：define → models → structure → controls → max-iter
• 如果BCGSTAB方法在內(nèi)部迭代次數(shù)較多的情況下繼續(xù)產(chǎn)生不滿意的殘差，或者反復(fù)看到控制臺(tái)消息說正在使用GMRES回退，則可以將求解方法更改為GMRES方法。但GMRES的使用對(duì)內(nèi)存的要求也更高。使用GMRES方法建議從最大迭代次數(shù)50開始。共軛梯度法(CG)也是可行的：雖然在某些情況下，它是最不穩(wěn)健的方法，但由于其利用了線性系統(tǒng)中使用的矩陣的對(duì)稱性，因此可以加快計(jì)算速度方程式。若想要更改求解方法，可以使用以下文本命令define → models → structure → controls → amg-stabilization
• 對(duì)于瞬態(tài)模擬，可以使用以下文本命令修改結(jié)構(gòu)模型計(jì)算的數(shù)值阻尼因子：define → models → structure → controls → numerical-damping-factor?
• 可以使用以下文本命令啟用顯式流體結(jié)構(gòu)相互作用力：define → models → structure → expert → explicit-fsi-force?
• 可以使用以下文本命令將曹勇壓力包含到流體結(jié)構(gòu)相互作用力中：define → models → structure → expert → include-pop-in-fsi-force?
• 可以使用以下文本命令啟用包含粘性流體結(jié)構(gòu)相互作用力：define → models → structure → expert → include-viscous-fsi-force?

若有必要，利用Solution → Monitors → Residual Edit..修改x-、y-及z-displacement 的默認(rèn)殘差標(biāo)準(zhǔn)(可選)利用Results → Surfaces New → Structural Point... 在固體分區(qū)內(nèi)的感興趣點(diǎn)處創(chuàng)建結(jié)構(gòu)點(diǎn)曲面用于監(jiān)視和報(bào)告數(shù)據(jù)。注意對(duì)于雙向FSI模擬，結(jié)構(gòu)點(diǎn)曲面不一定在空間中保持固定，但隨著實(shí)體區(qū)域的移動(dòng)/變形，結(jié)構(gòu)點(diǎn)曲面將繼續(xù)表示其原始單元。若要在此類結(jié)構(gòu)點(diǎn)曲面上監(jiān)視場(chǎng)變量，可以創(chuàng)建報(bào)表定義。例如可以利用Solution → Report Definitions New → Surface Report → Vertex Average... 監(jiān)視并繪制圍繞結(jié)構(gòu)點(diǎn)曲面的節(jié)點(diǎn)位移的頂點(diǎn)平均值：初始化求解。注意對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)初始化，可以指定初始X、Y和Z位移。為了保證結(jié)構(gòu)模型文件的質(zhì)量，在啟用結(jié)構(gòu)模型的情況下，在寫入cas及dat文件時(shí)只支持通用流體格式(CFF)(可選)對(duì)于雙向FSI模擬，設(shè)置求解動(dòng)畫利用Solution → ?Run Calculation求解計(jì)算。對(duì)于單向耦合計(jì)算，可以先計(jì)算流場(chǎng)，之后禁用流場(chǎng)計(jì)算再進(jìn)行結(jié)構(gòu)場(chǎng)計(jì)算。不管是單向耦合還是雙向耦合，都建議先計(jì)算穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)再切換到瞬態(tài)計(jì)算，這樣可以避免出現(xiàn)計(jì)算發(fā)散計(jì)算后處理

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的ansys fluent udf manual 下载_Fluent内置流固耦合01 使用流程的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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