流固耦合
分子动力学 流固耦合-概述说明以及解释
分子动力学流固耦合-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述分子动力学和流固耦合是两个在物理学和工程领域中具有重要意义的研究领域。
分子动力学是一种模拟原子和分子在时间和空间上的运动规律的方法，通过数值计算来模拟和预测材料的性质和行为。
而流固耦合则是研究流体和固体之间相互作用的现象，包括了在流体中移动的固体物体受到的流体作用力，以及固体物体对流体流场的影响。
分子动力学和流固耦合的结合，即分子动力学流固耦合方法，能够更加全面地理解材料的性能和行为。
通过这种方法，可以研究材料在流体环境中的行为，如颗粒在流体中的运动、材料在流体中的应力和形变等。
这种研究方法在许多领域中都具有潜在的应用价值，如生物医学、材料科学、环境工程等。
本文将探讨分子动力学和流固耦合的基础理论、方法和应用，旨在深入了解这两个研究领域的关联性和重要性。
同时，我们也将展望未来在分子动力学流固耦合领域的研究方向，希望能够为相关领域的研究工作提供一定的参考和启发。
文章结构部分的内容可以如下编写：1.2 文章结构本文将分为三个主要部分，分别是引言、正文和结论。
在引言部分，我们将概括性地介绍分子动力学与流固耦合的概念和重要性，并说明本文的目的和结构安排。
在正文部分，我们将详细探讨分子动力学基础和流固耦合理论，以及它们在实际应用中的关系和作用。
最后，在结论部分，我们将总结分子动力学与流固耦合的重要性，并展望未来研究方向，以期为相关领域的研究和发展提供一些启示和建议。
通过这样的结构安排，读者可以清晰地了解本文的主要内容和逻辑脉络，从而更好地理解和掌握分子动力学与流固耦合的知识。
1.3 目的本文的目的是探讨分子动力学与流固耦合的关系，以及它们在科学研究和工程应用中的重要性。
通过深入分析分子动力学基础知识和流固耦合理论，结合实际应用案例，我们将展示二者之间的密切关联和互相促进的作用。
同时，我们也将讨论未来研究的方向，以期为相关领域的研究人员提供一些启发和参考，推动这一领域的发展和进步。
流固耦合的研究与发展综述
流固耦合的研究与发展综述流固耦合是指流体与固体之间相互作用的现象。
在许多工程领域，流固耦合现象都是非常重要的，例如在航空航天、汽车工程、能源系统和生物医学领域等。
本文将对流固耦合的研究与发展进行综述，包括其基本原理、数值模拟方法和应用领域等方面的内容。
一、流固耦合的基本原理流固耦合的基本原理是通过数学模型描述流体与固体之间的相互作用。
流体力学和固体力学是研究流体和固体运动的基本学科，它们提供了描述流固耦合现象的基本理论基础。
在流体力学中，流体的运动可以通过Navier-Stokes方程组来描述，而在固体力学中，固体的运动可以通过弹性力学或塑性力学方程来描述。
通过将这两个方程组耦合起来，可以得到描述流固耦合现象的数学模型。
二、流固耦合的数值模拟方法为了研究流固耦合现象，数值模拟方法是一种常用的手段。
常见的数值模拟方法包括有限元法、有限体积法和边界元法等。
在流固耦合问题中，有限元法是最常用的数值模拟方法之一。
有限元法将流体和固体分别离散化为有限个单元，并通过求解代数方程组来得到流体和固体的运动状态。
此外，还可以使用流体-结构相互作用软件来模拟流固耦合问题，例如ANSYS、FLUENT等。
三、流固耦合的应用领域流固耦合现象在许多工程领域都具有重要的应用价值。
在航空航天工程中，流固耦合现象的研究可以帮助改善飞机的气动性能，提高飞行稳定性和安全性。
在汽车工程中，流固耦合现象的研究可以用于改善汽车的空气动力学性能，降低燃油消耗和减少排放。
在能源系统中，流固耦合现象的研究可以用于优化风力发电机的设计，提高能量转换效率。
在生物医学领域，流固耦合现象的研究可以用于模拟血液在心脏和血管中的流动，帮助诊断和治疗心血管疾病。
综上所述，流固耦合的研究与发展是一个非常重要的课题。
通过对流固耦合现象的研究，可以深入理解流体与固体之间的相互作用机制，为工程实践提供理论指导和技术支持。
未来，随着数值模拟方法的不断发展和计算能力的提高，流固耦合的研究将在更多领域得到应用和拓展。
流固耦合关系的主要研究内容
流固耦合关系的主要研究内容一、流固耦合关系的定义流固耦合关系是指流体与固体之间相互作用、相互影响的物理现象。
在这种关系中，流体的运动会对固体产生力和压力，而固体的形状和结构则会对流体的运动产生阻力和影响。
具体而言，流体的运动会改变固体的形变和应力分布，而固体的形变又会影响流体的流动特性。
二、流固耦合关系的研究方法研究流固耦合关系的方法主要分为实验方法和数值模拟方法。
实验方法可以通过物理模型或实际系统进行观测和测量，以获得流体和固体之间的相互作用参数。
数值模拟方法则通过建立数学模型，利用计算机进行数值计算和仿真，来模拟流体和固体之间的相互作用过程。
常用的数值模拟方法包括有限元法、有限体积法、边界元法等。
三、流固耦合关系在不同领域的应用1. 工程领域：流固耦合关系在工程领域中有广泛的应用。
例如，在航空航天领域，研究飞机在飞行过程中空气流动对机翼和机身的影响，以提高飞机的稳定性和飞行性能。
在建筑工程中，研究风场对建筑物的风压和风振效应，以确保建筑物的结构安全可靠。
2. 生物医学领域：流固耦合关系在生物医学领域中也有重要的应用。
例如，在血液循环系统中，研究血液流动对血管壁的剪切力和应力分布的影响，有助于了解心血管疾病的发生机制和预防措施的制定。
此外，研究呼吸系统中气流对肺泡的影响，有助于改善人工呼吸机的设计和使用。
3. 环境科学领域：流固耦合关系在环境科学领域中也有一定的应用。
例如，在水文学研究中，研究水流对土壤侵蚀和水质污染的影响，有助于制定水资源管理和环境保护政策。
此外，在气象学研究中，研究气流对大气污染物的扩散和传播的影响，有助于改善空气质量预测和污染治理措施。
四、总结流固耦合关系是流体与固体之间相互作用、相互影响的物理现象。
研究流固耦合关系的方法包括实验方法和数值模拟方法。
流固耦合关系在工程、生物医学和环境科学等领域中都有广泛的应用。
研究流固耦合关系可以帮助我们更好地理解和应用流体力学和固体力学的知识，从而推动相关领域的发展和进步。
流固耦合
流固耦合定义：它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者相互作用的一门科学。
流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用,变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。
变形或运动又反过来影响流，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。
(一)流固耦合动力学：求解方法与基本理论---张阿漫，戴绍仕●有限元法●边界元法●SPH法与谱单元法●瞬态载荷作用下流固耦合分析方法●小尺度物体的流固耦合振动●水下气泡与边界的耦合效应按耦合机理分两大类：1 耦合作用只发生在两相交界面---界面耦合（场间不相互重叠与渗透），耦合作用通过界面力（包括多相流的相间作用力等）起作用。
它的计算只要满足耦合界面力平衡，界面相容就可以了（其耦合效应是通过在方程中引入两相耦合面边界条件的平衡及协调关系来实现的）。
如气动弹性，水动弹性等。
按照两相间相对运动的大小及相互作用分为三类：(1)流体和固体结构之间有大的相对运动问题"最典型的例子是飞机机翼颤振和悬索桥振荡中存在的气固相互作用问题,一般习惯称为气动弹性力学问题"(2)具有流体有限位移的短期问题"这类问题由引起位形变化的流体中的爆炸或冲击引起"其特点是:我们极其关心的相互作用是在瞬间完成的,总位移是有限的,但流体的压缩性是十分重要的"(3)具有流体有限位移的长期问题"如近海结构对波或地震的响应!噪声振动的响应!充液容器的液固耦合振动!船水响应等都是这类问题的典型例子"对这类问题,主要关心的是耦合系统对外加动力荷载的动态响应"2 两域部分或全部重叠在一起，难以明显的分开，使描述物理现象的方程，特别是本构方程需要针对具体的物理现象来建立，其耦合效应应通过建立与不同单相介质的本构方程等微分方程来体现。
按耦合求解方法分两大类：1 直接耦合求解：直接耦合是在一个求解器中同时求解不同物理场的所有变量，需要针对具体的物理现象来建立本构方程，其耦合效应通过描述问题的微分方程来体现。
(完整版)5流固耦合
第五章 轴流泵的流固耦合5-1 流固耦合概论流固耦合问题一般分为两类，一类是流‐固单向耦合，一类是流‐固双向耦合。
单向耦合应用于流场对固体作用后，固体变形不大，即流场的边界形貌改变很小，不影响流场分布的，可以使用流固单向耦合。
先计算出流场分布，然后将其中的关键参数作为载荷加载到固体结构上。
典型应用比如小型飞机按刚性体设计的机翼，机翼有明显的应力受载，但是形变很小，对绕流不产生影响。
当固体结构变形比较大，导致流场的边界形貌发生改变后，流场分布会有明显变化时，单向耦合显然是不合适的，因此需要考虑固体变形对流场的影响，即双向耦合。
比如大型客机的机翼，上下跳动量可以达到5 米，以及一切机翼的气动弹性问题，都是因为两者相互影响产生的。
因此在解决这类问题时，需要进行流固双向耦合计算。
下面简单介绍其理论基础。
连续流体介质运动是由经典力学和动力学控制的，在固定产考坐标系下，它们可以被表达为质量、动量守恒形式:()0v tρρ∂+∇⋅=∂ (1) ()B v vv f tρρτ∂+∇⋅-=∂ (2) 式中，ρ为流体密度；v 为速度向量；Bf 流体介质的体力向量；τ为应力张量；在旋转的参考坐标系下，控制方程变为： ()0r v v tρρ∂+∇⋅=∂ （3） (-)+B r r c v v v f f tρρτ∂+∇⋅=∂ （4） 形式和固定坐标系下基本相同，只是速度变成了相对速度，另外就是增加了附加力项c f 。
固体有限元动力控制方程为：[]{}[]{}{}...[]{}M u C u K u F ++= （5）式中，[]M ，[]C ，[]K 分别是质量矩阵，阻尼矩阵以及刚度矩阵，{}F 为载荷矩阵。
流固耦合遵循最基本的守恒原则，所以在流固耦合交界面处，应满足流体与固体应力、位移、热流量、温度等变量的相等或守恒，即满足如下四方程：f f s s n n ττ⋅=⋅ (6)f s d d = (7)f s q q = (8)f s T T = (9)5-2 单向流固耦合思路分析：轴流泵的单向流固耦合仅仅考虑流场对结构的影响，并不考虑结构变形对流场的影响，所以其数据的传递是单向的，流场和结构的分开计算，完成流场计算之后将其作为结构的边界条件加载到结构域上。
流固耦合
关键词流固耦合; 气动弹性; 水动弹性; 非线性动力学; 计算力学1 定义和特点流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支. 顾名思义, 它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学. 流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用(f lu id2so lidin teract ion) : 变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动, 而变形或运动又反过来影响流场, 从而改变流体载荷的分布和大小. 正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象.流固耦合问题可由其耦合方程来定义[ 1 ]. 这组方程的定义域同时有流体域与固体域, 而未知变量含有描述流体现象的变量及描述固体现象的变量, 一般而言, 具有以下两点特征:a) 流体域或固体域均不可能单独地求解;b) 无法显式地消去描述流体运动的独立变量或描述固体运动的独立变量.从总体上来看, 流固耦合问题按其耦合机理可分为两大类. 第一大类问题的特征是两相域部分或全部重叠在一起, 难以明显地分开, 使描述物理现象的方程, 特别是本构方程需要针对具体的物理现象来建立, 其耦合效应通过描述问题的微分方程而体现. 图1给出的渗流问题是这类问题的典型例子, 描述其现象的微分方程如下[ 2 ]:其中, ý表示梯度算子, u 表示土壤骨架的位移矢量, p 为渗流压力, R 是应力张量(用矢量式) , L 是相应于应变的微分算子, D 是弹性矩阵, b 是体力矢量, k 是渗透率, K f 是流体的体积模量, n 是空隙率, m = [1, 1, 1, 0, 0, 0 ]T . 这里, 由于耦合效应, 固体的本构关系中出现了压力项.土壤渗流相互作用第二大类问题的特征是耦合作用仅仅发生在两相交界面上, 在方程上耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的. 本文中, 我们主要讨论这一类问题.对于第二大类问题, Zienk iew icz与其合作者Bet tess 在文[3 ] 中按两相间相对运动的大小及相互作用性质将其分为三小类. 图2中示出了这三种问题.问题a) 是流体与固体结构之间有大的相对运动的问题. 其典型例子是机翼颤振或悬桥振荡中发生的气固相互作用, 这被人们习惯称其为气动弹性力学问题. 在这类问题中的基本物理关系和物理过程可用易于理解的所谓方块图加以描述, 这种方法由著名力学家冯元桢(Y. C. Fung) 教授[ 425 ]引用到气动弹性力学中来, 特别是对于气动弹性稳定问题中的反馈过程, 用这种方法说明是很有启发性的. 图3示出了机翼颤振的这一方框图. 图中三个方框表示了机翼(结构) 在这类问题中执行的三种不同功能: 首先它产生空气动力, 其次是产生惯性力, 再就是它产生弹性变形. 机翼按空气动力学规律产生升力A , 而机翼振动时则引起惯性力I . 这两种力A + I 使弹性机翼产生变形H, 从而又产生新的作用力A 和I , 这样, 以反馈过程的形式构成一条闭合回路, 如果出现变形的振幅随时间不断增大的现象, 则称为颤振.图4 流固耦合问题中各种力之间的相互关系图问题b) 是具有流体有限位移的短期问题. 这类问题由引起位形变化的流体中的爆炸或冲击引起.其特点是: 人们极其关心的相互作用是在瞬间完成的, 总位移是有限的, 但流体的压缩性是十分重要的.问题c) 是具有流体有限位移的长期问题, 如近海结构对波或地震的响应、噪声振动的响应、充液容器的液固耦合振动、船水响应等都是这类问题的典型例子. 对这类问题, 人们主要关心的是耦合系统对外加动力载荷的动态响应.图4 中示出了流固耦合中各种力之间的相互影响关系. 其中, 两个虚线描绘的大圆周分别划出了流体与固体. 在这两个圆周相切的地方, 用一个小圆表示了两相耦合界面. 通过耦合界面, 流体动力影响固体运动, 而固体的运动又影响流场. 在耦合界面上, 流体动力及固体的运动事先都不知道, 只有在系统地求解了整个耦合系统后, 才可给出它们的解答, 这正是相互作用的特征所在. 若没有这一特征, 其问题将失去耦合作用的性质. 例如, 若给定流固交界面上的流体动力或交界面上固体结构的运动规律, 耦合机理将会消失, 原来的耦合系统将被解耦而成为单一固体在给定表面力下的动力问题及单一流体在给定边界条件下的流体力学边值或初边值问题.在最一般情况下, 流体与固体通过两相交界面的相互作用同时受流体及固体各自的弹性力和惯性力影响, 这_______就是两个大圆周中间方框中表示的一般流固耦合问题. 随着研究问题的目的不同, 可将着眼点放在流场或固体结构上进行研究. 流体力学工作者多着眼于流场, 而固体力学工作者则注重结构. 在工程实际问题中, 可针对不同性质的问题, 作相应的简化, 从而便有简化后的耦合问题. 例如, 研究水同结构相互作用的非短期问题时, 水的可压性可以不计, 这就构成不可压流体同固体的耦合问题. 类似地, 若忽略结构的弹性变形, 就有刚体同流体的相互作用问题. 在航空中, 独成一个学科的刚体飞机飞行力学问题就是重要的例子.也可以在某些问题中忽略流体或固体的惯性效应, 从而有忽略流体惯性的耦合问题及忽略固体惯性的耦合问题. 在空气弹性力学中的静力发散, 舵面效率等问题即是重要的忽略结构惯性的流固耦合问题. 至于忽略流体惯性时的耦合问题, 其本质就是将流体(通常为气体) 视为一弹簧, 如空气弹簧, 这在工程中也常常见到. 所有这些简化后的耦合问题, 包括非耦合性质的可压流体动力学及变形固体动力学问题, 在图4中用虚线圆周上的方框表示出来. 于是,每种流固耦合问题可以按该问题中诸力所处的相互关系而进行直观的区分.2 发展简史流固耦合问题由于其交叉性质, 从学科上涉及流体力学、固体力学、动力学、计算力学等学科的知识; 从技术上与不同工程领域, 如土木、航空航天、船舶、动力、海洋、石化、机械、核动力、地震地质、生物工程等均有关系. 其研究问题甚广, 难以确定合适的研究分类,而且随着科学技术的发展, 其分类也在不停的变化, 这里以美国机械工程师学会(A SM E) 出。
流固热耦合
流固热耦合流固耦合是一种复杂的热耦合，它表示流体和固体之间的热耦合。
流固耦合对于了解物理系统的热传导特性是非常重要的，它可以用来模拟控制机械热力学系统中的温度场。
流固耦合现在已经用于多种应用，如发动机温度控制、核能使用等。
流体是由固体的表面蒸发而形成的，流体蒸发热量将有助于将固体面的热量输送至其他空间。
由于流体流动过程中受到热源和热汇的影响，所以流体与固体之间会取得一种耦合状态。
流体与固体之间的热耦合过程就是流固耦合。
流固热耦合由四个环节组成：热源、冷却器、工艺侦测器和控制器。
热源可以通过能量传输，如汽油发动机、内燃机等，将热量输入到流体中。
冷却器能够将流体中的热量输出到外界环境中去。
工艺侦测器用于检测流体的温度，告知控制器机器实际温度，从而使控制器能够进行合理的参数设定来确保热环境平衡。
流固耦合系统中，固体发放热量给流体，流体发放热量给周围环境，而流体及固体温度又影响流体的热传质量。
综上所述，流热耦合的传热系统需要满足热平衡条件，即求得系统中热源、冷却器及其他原件之间的热传质量，以求得最终的热平衡状态。
流固耦合不仅可以通过热传质量控制及求解热平衡状态来应用，还可以用于模拟和控制物理机械系统，从而实现对发动机温度场的控制。
比如，它可以用于汽车、摩托车发动机温度控制，以实现发动机额定温度场，从而防止由于超温造成的发动机故障现象。
此外，核能中也开始应用流固耦合，以减轻给定气温和流速下的热力学效应，减少危害或者提高气流的能量使用效率，使多边热换器系统变得更加先进。
从上述可知，流固耦合体系对控制机械热力系统的温度场有着重要的作用，这一热耦合体系的发展与应用已经越来越普及，在节能环保、发动机控制及核能等多个领域发挥着重要作用。
我们期待未来流固耦合系统会发展得更好，并为社会发展作出更大的贡献。
流固耦合的定义
流固耦合的定义《流固耦合那些事儿》嘿，大家好！今天咱来唠唠“流固耦合”这个听起来有点高大上的玩意儿。
流固耦合嘛，简单说就是流体和固体之间相互影响、相互作用的一种关系。
你想想看哈，水在河里哗哗流，那河边的石头是不是老被水冲来冲去？这就是流体（水）对固体（石头）的作用。
反过来呢，石头要是长得奇形怪状的，也会影响水流的走向吧？这就是固体对流体的影响。
这就是流固耦合在我们生活中常见的例子。
流固耦合就像是一场“拔河比赛”。
流体和固体就像是两队选手，互相拉扯、较劲。
有时候流体力量大，就会把固体冲得摇摇晃晃；有时候固体很顽固，就会让流体拐个弯儿走。
就拿风吹大树来说吧。
风就是那流体，大树就是那固体。
大风呼呼一吹，大树就得跟着晃悠，要是风再大点儿，说不定大树就被吹倒啦！这就是风（流体）和大树（固体）之间的流固耦合。
再比如，咱们盖房子的时候。
房子是固体吧，可要是遇到地震了，那地面晃来晃去的，就跟流体似的。
这时候房子就得承受这种晃动感，要是房子不够结实，那就得遭殃咯！流固耦合的世界啊，充满了各种有趣又奇妙的现象。
有时候让我们头疼，有时候又让我们惊叹。
搞科研的人呢，就喜欢研究这些，想搞清楚流体和固体之间到底是咋互动的。
不过研究流固耦合可不是件容易的事儿啊！就像看一场复杂的“武林争霸赛”，得时刻盯着双方的招式，还得分析出其中的门道。
有时候一个不小心，就可能被复杂的现象给绕晕咯！但这也是它的魅力所在，让人越研究越觉得有意思。
总之呢，流固耦合就是这么个神奇的东西。
它在我们生活中无处不在，影响着我们的方方面面。
无论是大自然中的现象，还是我们人类制造的各种工程，都少不了流固耦合的身影。
所以啊，咱们可得好好认识它、了解它，这样才能更好地和这个奇妙的世界相处嘛！你说是不是这个理儿？。
流固耦合分析(FSI)理论详解
流固耦合分析（FSI）流固耦合分析（FSI）是涉及流体和固体之间相互作用的问题研究，其理论包括了几个主要方面：流体力学、固体力学、耦合边界条件、求解器等。
以下是流固耦合分析的详细理论讲解，带有相关公式和尽量详细的说明。
一、流体力学1. 守恒定律质量守恒定律：$$ \frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \mathbf{u}) = 0 $$动量守恒定律：$$ \rho \frac{\partial \mathbf{u}}{\partial t} + \rho (\mathbf{u} \cdot \nabla) \mathbf{u} = \nabla \cdot \tau + \mathbf{f} $$其中，$\rho$是流体密度，$\mathbf{u}$是流体速度，$\tau$是应力张量，$\mathbf{f}$是体力。
2. 纳维-斯托克斯方程$$ \rho \frac{\partial \mathbf{u}}{\partial t} + \rho (\mathbf{u} \cdot \nabla) \mathbf{u} = \nabla \cdot (-p\mathbf{I} + \tau) + \mathbf{f} $$其中，$p$是静压力，$\mathbf{I}$是单位张量。
3. 边界条件（1）速度边界条件：$\mathbf{u} = \mathbf{u}_b$，其中$\mathbf{u}_b$是边界上的速度。
（2）压力边界条件：$p = p_b$，其中$p_b$是边界上的压力。
4. 流体力学求解器常用的流体力学求解器有OpenFOAM、ANSYS Fluent等。
二、固体力学1. 力学基本方程$$ \tau = \sigma\cdot \mathbf{n} $$其中，$\tau$是表面上的接触力，$\sigma$是固体的应力张量，$\mathbf{n}$是表面的单位法向量。
第九讲 流固耦合.
覆盖的体和面在每个时间不均参与计算
效率没有刚性耦合高 为有效的载荷周期进行耦合计算
不需要欧拉网格时，将其删除
全耦合 - 建筑物中爆炸
砖混结构的炸药库中27 吨炸药爆炸 (ESH)
欧拉冲击波求解器
全耦合 - 内弹道
气体在膛内流动，出口处膨胀泄压 欧拉冲击波求解器
全耦合- 水下爆炸
炸药和水用多物质欧拉求解器 钢质筒使用拉格朗日求解器
多边形耦合-Polygon Coupling
仅适用于在2D欧拉 多边形（Polygon）就相当 于给欧拉施加的约束
不考虑摩擦
Covered region
多边形的点可以固定 (anchored) 也可以附着在 拉格朗日面得节点上 多边形耦合必须在2D 欧拉-壳 (Euler–Shell )作用中使用
多边形
不能考虑侵蚀 能够用于Lagrange,
Shell
ALE 和
没有欧拉子循环
例子: 冲击波对墙的冲击变形 (2D)
压力云图
Lagrange
Euler
速度云图
例子: 爆炸侵彻混凝土 (2D)
多物质欧拉
: 炸药+空气（HE + Air) 拉格朗日 : 混凝土
接触, 侵蚀 和 耦合
壳
厚度壳
欧拉体积分数
变形壳
耦合类型: 刚性
使用拉格朗日或Fill Parts建立固定 的刚性几何体
拉格朗日可以在AUTODYN中生成，也可以从 外部导入 (比如从 Workbench) 用来定义覆盖的部分
分析过程中覆盖的部分不改变 非常有效
流固耦合概述及应用研究进展
流固耦合概述及应用研究进展流固耦合是指涉及流体和固体相互作用及其相互影响的一种物理过程。
在流体中存在的固体物体会受到流动力的影响，而流体的流动又会受到固体物体的阻碍或改变。
流固耦合研究的目的是探索流体与固体耦合过程中的物理现象和机理，并为相关领域的应用提供理论和实践基础。
流固耦合是多学科、多领域交叉研究的产物，涉及机械工程、流体力学、材料科学、土木工程等众多领域。
流固耦合现象广泛存在于自然界和工程中，例如空气和飞机翼之间的相互作用、水流与水坝之间的相互影响、海洋中风浪作用于海洋工程结构等。
对于这些情况，了解流体对固体的作用以及固体对流体的影响有助于提高工程设计的可靠性和安全性。
近年来，流固耦合研究在理论研究和应用方面取得了一些进展。
在理论上，流固耦合模型主要基于数值计算和实验数据，通过建立相关方程和模拟方法来描述流体和固体相互作用。
这些模型主要包括弹性体与流体相互作用、固体与不可压缩流体相互作用、固体与可压缩流体相互作用等。
通过这些模型，可以预测固体的受力和变形情况，并进一步优化设计。
在应用方面，流固耦合的研究涉及了很多领域。
在航空航天工程中，例如在飞机机翼设计中，需要考虑空气流动对机翼的影响，同时也需要考虑机翼的形状对气流的影响。
在海洋工程中，例如在海上钻井平台的设计中，需要考虑海浪对平台的冲击，同时也需要考虑平台的形状对海浪的影响。
在建筑工程中，例如在高层建筑的结构设计中，需要考虑气流对建筑的荷载、风力对建筑的影响。
流固耦合研究的进展带来了许多创新应用，提高了工程设计的精度和可靠性。
例如，在汽车和飞机设计中，通过对流体力学和结构力学的耦合分析，可以更好地优化车身结构和机翼形状，减小风阻和气动噪声，提高车辆的性能和燃油效率。
在海洋工程中，通过对水流和结构的耦合分析，可以更好地预测海浪对海洋结构的冲击，从而减小结构的破坏风险。
虽然流固耦合研究取得了一些进展，但仍存在一些待解决的问题。
首先，流固耦合模型的建立和计算方法的选择仍然具有一定的局限性，需要进一步完善和发展。
流固耦合问题
流固耦合问题流固耦合问题是一种复杂的物理问题，它涉及到流体和固体之间的相互作用。
这种问题常常出现在工程设计和生物医学领域中，比如船舶设计、飞机设计、药物输送等。
本文将分步骤阐述流固耦合问题的相关知识。
第一步：理解流固耦合问题的概念流固耦合问题是指涉及到流动和固体材料之间相互作用的物理问题。
它通常发生在可变形固体与流体之间的边界面上，例如在弹性材料的表面或开放溶液表面。
由于流体和固体的相互作用，物体的形状和运动状态会发生变化。
这种变化可能会对流体运动状态产生影响，从而改变流体的速度和压力分布。
第二步：了解流固耦合问题的类别流固耦合问题可分为两类，一种是静态耦合，另一种是动态耦合。
静态耦合是指在瞬间时间内，固体形变速度远小于流体速度的情况下发生的耦合作用。
动态耦合是指在一段时间内，固体形变和流体运动是相互影响的耦合作用。
在生物医学领域中，由于心脏的收缩和血液的流动是相互影响的动态耦合，因此对这种耦合的研究极为重要。
第三步：分析流固耦合问题的数学模型流固耦合问题的数学模型通常由连续性、动量守恒和边值条件三个方程组成。
其中，连续性方程描述了流体的质量守恒，动量守恒方程描述了流体的运动状态，边值条件则用于描述固体表面的物理特性。
根据实际问题需要，可以采用不同的数值解法对模型进行求解，例如有限元法、有限体积法和边界元法等。
第四步：应用流固耦合问题的实际案例流固耦合问题在工程设计和生物医学领域中都有广泛的应用。
例如，在飞机设计中，需要考虑飞机表面的气流对于飞机结构的影响；在生物医学领域中，需要研究血流对心脏、大脑和肝脏等器官的作用。
此外，在船舶设计、岩土工程和涂料涂装等领域中也需要考虑流固耦合问题。
总之，流固耦合问题是一个非常重要的物理问题，在工程设计和生物医学领域有着广泛的应用。
深入研究流固耦合问题的数学模型和求解方法，能够为相关领域的进一步发展提供重要的理论和实践支持。
第九讲流固耦合解读
Courtesy AF Safety Center and the AF Research Lab
全耦合 – 玻璃碎片
有效减低飞散玻璃碎片的危 险，德国国防部对各种汽车 玻璃进行了安全评估 :
完整汽车模型试验
AUTODYN 模拟
Test in Large Blast Simulator
Standard Glazing
自动接触能够考虑侵蚀
欧拉流动约束
拉格朗日部分(Lagrange Parts )通过覆盖欧拉网格的体积 (volumes)和面(faces)将流动约束施加给欧拉物质 (Euler Parts)
为了流动约束有效时间，拉格朗日部分的厚度必须大于欧拉单元的 尺寸
要达到最好的耦合效果，拉格朗日单元尺寸应该大于欧拉单元尺寸 推荐的比例为 2:1
网格用小时间步长更新计算； 欧拉用大时间步长更新计算；使用优化时间步长可以
减少耗散。
厚度壳
壳单元在流固耦合中，定义人工厚度来 进行欧拉耦合
必须为壳定义人工厚度 人工壳单元厚度必须至少是它周围欧拉单
元最小尺寸的两倍 人工厚度与物理模型的厚度是不同的
对多个壳连接时，默认壳法线方向可以 不考虑
全耦合- 水下爆炸
炸药和水用多物质欧拉求解器 钢质筒使用拉格朗日求解器
全耦合 - 爆炸侵彻钢筋混凝土
Euler Blast
Lagrange Concrete
Beam Reinforcements
全耦合- 地雷爆炸
空气爆炸
全耦合
破片碰撞
接触
侵蚀
余留的惯性
全耦合 – 爆炸侵彻 RPG
接触, 侵蚀 和 耦合可以在分析中同时使用 (必须使用自 动耦合) 结构的失效和破片的飞散 流体/气体通过失效/破碎的部分泄露出去 包含有冲击波载荷和结构碰撞载荷
流固耦合 - 基础知识
流固耦合概念流固耦合，是研究可变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流场影响这二者相互作用的一门科学。
它是流体力学(CFD) 与固体力学(CSM) 交叉而生成的一门力学分支，同时也是多学科或多物理场研究的一个重要分支。
流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。
变形或运动又反过来影响流体运动，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。
当你研究的问题，不仅涉及到了流场的分析，还涉及到了结构场的分析，而且二者之间存在着明显的相互作用的时候，你就考虑进行流固耦合分析。
流固耦合求解方法流固耦合问题分析根据流体域和固体域之间物理场耦合程度的不同，可分为强耦合和弱耦合，对应的求解方法分别为直接解法和分离解法。
直接解法通过将流场和结构场的控制方程耦合到同一方程矩阵中求解，即在同一求解器中同时求解流固控制方程，理论上非常先进，适用于大固体变形、生物隔膜运动等。
但在实际应用中，直接法很难将现有的计算流体动力学和计算固体力学技术真正结合到一起。
另外，考虑到同步求解的收敛难度以及耗时问题，直接解法目前主要应用于模拟分析热－结构耦合和电磁－结构耦合等简单问题中，对于流体－结构耦合只进行了一些非常简单的研究，还难以应用在实际工程问题中。
而弱流固耦合的分离解法是分别求解流体和固体的控制方程，通过流固耦合交界面进行数据传递。
该方法对计算机性能的需求大幅降低，可用来求解实际的大规模问题。
目前的商业软件中，流固耦合分析基本都采用分离解法。
ANSYS很早便开始进行流固耦合的研究和应用，目前ANSYS中的流固耦合分析算法和功能已相当成熟，可以通过或者不通过第三方软件（如MPCCI）实现ANSYS Mechanical APDL + CFX、ANSYS Mechanical APDL + FLUENT、ANSYS Mechanical + CFX 的流固耦合分析。
机械结构中的流固耦合现象与控制
机械结构中的流固耦合现象与控制引言：机械结构是由各种部件组成的系统，而流体是这种系统中必不可少的一种介质。
在某些情况下，流体与机械结构之间会发生耦合现象，即流固耦合现象。
本文将探讨机械结构中的流固耦合现象及其控制。
一、流固耦合现象的基本原理在机械结构中，流体流动对结构的运动和振动产生影响，而结构的变形也会改变流体流动的模式。
这种相互作用即为流固耦合现象。
流体流动会导致结构的动态响应发生变化，例如风扰引起的桥梁振动；而结构的变形又会改变流体流动，例如飞机机翼的弯曲导致气流分离。
二、流固耦合现象的应用流固耦合现象在工程领域有着广泛的应用。
例如，在飞机、汽车和火箭等交通工具设计中，需要考虑气动力的影响，以保证结构的稳定性和安全性。
另外，在建筑工程中，流体对建筑物的风荷载、海浪冲击等产生的力学响应也需要进行分析和控制。
此外，流体流动与管道、阀门等控制系统的耦合现象也是现代流体控制技术的研究重点之一。
三、流固耦合现象的控制方法为了控制流固耦合现象，可以采取以下几种方法：1. 结构优化：通过设计结构形状、材料和刚度等，以减小流体对结构的激励，从而降低耦合效应。
例如，在航空航天领域，通过对机翼和机身的设计优化，可以减小飞机在飞行过程中的气动力，提高飞行的稳定性和安全性。
2. 流体控制：通过改变流体流动的模式和速度，控制流体对结构的影响。
例如，在桥梁设计中，可以在桥梁两侧设置挡风墙，减小流体对桥梁的荷载。
另外，通过增加涡流抑制装置、调整流体的速度和方向等方法，也可以减小流体对结构的影响。
3. 主动振动控制：通过对机械结构施加外部激励，控制结构的振动。
例如，在风电机组的设计中，可以采用主动振动控制技术，使其在受到风力作用时，具有适当的振动特性，以保证其在高风速环境下的安全性和稳定性。
结论：机械结构中的流固耦合现象是一个复杂而重要的问题。
了解和控制流固耦合现象对于优化机械结构的性能和提高工程的稳定性至关重要。
通过结构优化、流体控制和主动振动控制等方法，可以有效地控制流固耦合现象，提高机械结构的运行效率和安全性。
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(2)有限体积法 有限体积法(Finite Volume Method，FVM)又称为控制体积法。 其基本思想是将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每 个网格点周围有一个控制体积；将待解的微分方程(控制方程)对每 一个控制体积积分，从而得出一组离散方程。其中的未知数是网格 点上的因变量的数值。 为了求出控制体积的积分，必须假定数值在网格点之间的变化 规律。从积分区域的选取方法看来，有限体积法属于加权余量法中
典型的流固耦合问题在工程上可分为四类： （1）土木工程中的坝水耦合问题。如土木工程领域中地震载荷 作用下的坝体与水的耦联振动。 （2）流体引起管道振动的问题。它是指结构腔内充满流体时发 生的耦合振动。如海洋工程领域与石化工程领域中管道内流体 诱发振动和柔性腔内流体自振等。 （3）船与水的耦合问题。处于流体区域中的结构振动或运动， 在结构全部或部分被侵入在流体之中时，以结构为主的振动模 态与运动响应就是耦合系统研究的重点。如船舶工程领域中船 体与水的耦合。 （4）储液容器的振荡问题。在液体没有充满柔性结构腔时会发 生这一类耦合振动问题，此时液体的晃动将是主要的动力分析 对象。如航天航空领域中储液容器晃荡问题。
的子区域法；从未知解的近似方法看来，有限体积法属于采用局部
近似的离散方法. 简而言之，子区域法加离散就是有限体积法的基本方法。
参考文献：
[1] Zienkiewicz O C. Coupled problems and their numerical solution in: Lewis R W, Bettes P, Hinton E eds. Numerical Methods in Coupled Systems. John Wiley and Sons Ltd , New York ( 1984) [2] 张阿曼，戴绍仕. 流固耦合动力学[M]. 北京：国防工业出版社， 2011. [3] 邢景棠, 周盛, 崔尔杰. 流固耦合力学概述[J]. 力学进展， 1997,21(7): 19-38.
这类问题对于工程设计具有十分重要的意义，它直接影响工程
的经济性、可靠性，有时甚至会引起整个结构破坏的严重后果，造 成重大经济损失。应用流固耦合解决这类工程问题是非常必要的。
3.流固耦合的两类问题
从总体上来看，流固耦合问题按其耦合机理可分为两大类： 第一类问题：耦合作用仅仅发生在两相的交界面处，在 方程上的耦合是由两相耦合的平衡及协调关系引入，如 海水与船体的耦合振动，油体与输油管道的耦合振动、 气动弹性和水动弹性等； 第二类问题：两相域全部或者部分地重叠在一起，难以 明显分开，使描述物理现象的本构方程要针对具体的物 理现象来建立，耦合效应要通过描述问题的微分方程来 体现，如渗流问题。
流体与固体结构的耦合作用是工程实践中经常遇到的问题。 • 水轮机、汽轮机、工业风机和各种流体机械的流体弹性振动问题； • 航空、航天飞行器的气动弹性振动问题和液体晃动问题； • 高层建筑物和工业建筑物的风致振动问题； • 地下水抽放和油气开采所引起的地表沉降的流固耦合问题； • 海洋浮式结构的水弹性振动问题等皆属这类问题。
流固耦合动力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形 固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。变形或运动又反过来影 响流体，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用在不 同条件下产生了形形色色的流固耦合现象。例如，海底管跨因涡激 振动而引起的共振失效，海洋输液立管在内部流体和外部环境载荷 作用下的破坏问题等。
流固耦合
Fluid-Structure Interaction
140880 张镇
东南大学土木工程学院工程力学系
1.流固耦合问题的产生
2.流固耦合研究现状
Content
3.流固耦合的两类问题
4.流固耦合研究方法
1.流固耦合问题的产生
流固耦合动力学是流体力学和固体力学交叉而生成的一门力学 分支，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对 流场影响这二者相互作用的一门科学。
问题（b）是具有流体有限位移的短期问题。这类问题由造成位形 变化的流体中的爆炸或冲击引起，其特点是：人们及其关心的相互 作是在瞬间完成的，总位移是有限的，但流体的压缩性是十分重要 的。
（c）有限流体位移的长期问题
问题（c）是具有流体有限位移的长期问题，如近海结构对波或地 震的响应、噪声振动的响应、充液容器的流固耦合振动、船舶在水 流作用下的响应等都是此类问题的典型例子。对于这类问题，人们 主要关心的是耦合系统对外加动力载荷的动态响应。
流固耦合问题经过近几十年的发展，已经取得了一定的成果。 对于流固耦合系统的求解，比较简单的问题，可以采用解析法或半 解析法，而具有复杂边界条件的实际工程问题，很难给出其解析解。 由于流固耦合系统的复杂性，其求解主要立足于数值分析。常用的 方法主要有:有限元法、有限体积法等。
(1)有限元法 有限元法也叫有限单元法(Finite Element Method，FEM)，它 是随着计算机的发展而迅速发展起来的一种弹性力学问题的数值求 解方法。 有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想 是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内选择一些 合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由 各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式， 借助于变分原理或加权余量法将微分方程离散求解。采用不同的权 函数和插值函数形式便构成不同的有限元方法。
针对第一类问题，Zienkiewicz与合作者Bettes按两相间相对运动 的大小及相互作用性质将其分为三小类： （a）流固之间有大的相对运动的问题
问题（a）是流体与固体结构之间有大的相对运动问题，最为典型 的例子是机翼颤振或悬桥振荡中发生的气固相互作用（称气动弹性 力学问题）。
（b）有限流体运动的短期问题
针对第二类问题，渗流问题是这类问题的典型例子：
土壤渗流相互作用
4.流固耦合的研究方法
近年来，流固耦合问题研究发展的三个标志为： (1)从线性流固耦合问题趋向于非线性流固耦合问题； (2)从固体结构的位移变形及强度问题趋向于固体结构的屈曲问题； (3)从单纯的流体差分格式或者固体有限元格式趋向于混合或者兼 容的流固格式。 现在由于计算机技术以及数值计算方法的快速发展，整个求解 趋向于N-S方程和非线性结构动力学。一般使用的求解方法为迭代 求解，即在流场和结构场上分别单独求解，在每个时间步内耦合迭 代，待各自收敛之后再进一步向前推进。
2.流固耦合的研究现状
流固耦合问题最早出现的形式是气动弹性问题，作为一门 系统的理论最早出现 20 世纪 20 年代。 由于流固耦合问题的复杂性，几十年来的研究与进展速度 较慢，解决的办法也仅局限于解析法。 直到上世纪60年代，边界元与有限元等数值方法出现后， 流固耦合问题又逐渐引起人们的关注。 随后，计算机技术与数值计算方法的迅猛发展，给流固耦 合的研究注入了新的活力，使流固耦合数值方法研究得到较快 的发展。
Thank You!