(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 t

ρρ∂+∇⋅=∂ (1) ()B v vv f t

ρρτ∂+∇⋅-=∂ (2) 式中，ρ为流体密度；v 为速度向量；B

f 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 t

ρρ∂+∇⋅=∂ （3） (-)+B r r c v v v f f t

ρρτ∂+∇⋅=∂ （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。本书通过ANSYS中Workbench模块实现轴流泵叶片的单向流固耦合分析。ANSYS 14-5 Workbench平台整合了ICEM CFD软件，实现了ICEM参数化划分网格的功能。本书的全部流程都将在Workbench平台中进行。本例以轴流泵为几何模型，流体域三维图见下图。流体域由四段组成，分别是：进口段、叶轮段、导叶段以及出口段。

图5-2-1 结构三维造型图

2-1新建文件

[1]启动Workbench。在Windows系统中按下列路径打开，【开始】→【所有程序】→【ANSYS14-5】→【Workbench14-5】。

[2]单击【File】→【Save】，选择需要保存的路径并将该文件命名为“single-way FSI”。

[3]展开Workbench窗口左侧的Component Systems工具箱，分别双击其中的【】以及【】模块，重复上过程三次，打开四个【】以及【】模块；同样的方式打开Custom Systems中的【】模块。用鼠标左键拖动A2下的【Geometry】到B2下的【Model】上将两者连接起来，并且用同样的方式将B2下的【Model】拖动到G2的【Setup上】，同样的方法执行其它几何、网格模块，如图2。

图5-2-2 单向流固耦合计算流程图

2-2 流体域几何模型的处理及网格划分

[1]处理物理模型。右击A2单击【import Geometry】命令导入轴流泵叶片几何体模型，如图3显示，为了方便对几何体进行结构化网格划分，这里仅仅取叶轮1/5流道，鉴于导叶网格

划分方法与叶轮相同且操作更加简单，而进口段以及出口段网格划分简单，这里仅仅介绍叶轮的网格划分时需要注意的要点。

图5-2-3 叶轮1/5流道

[2]修补几何个体。双击B2【Model】，启动ICEM CFD，进入ICEM CFD工作界面。打开界面左边工具栏【Geometry】下拉菜单，【Surface】命令左边框打钩，右击【Surface】，勾选【Solid】和【Transparent】命令。通过【】命令修补几何体，如若几何体为封闭的几何体，则几何线条全部为红线，如若有黄线出现，则应对几何体进行相应的修补，如图4-

图5-2-4 修补几何体

[3]建立周期面。这里为了方便拓扑结构的建立，我们将几何模型切割出1/5，实际上我们需要计算全流场，将来网格需要建立全流场网格模型，所以这里我们需要建立周期面，方便后续周期网格的建立。本书至此，相信大家已经对ICEM CFD这一网格划分工具具有一定的了解，下面为了突出这一章节的重点“流固耦合”，对于ICEM CFD网格划分的具体操作将做相应的简化。

通过点命令创建叶轮进水边圆弧的圆心，作为基准点，此时注意要勾选界面左边工具栏中【Geometry】下拉菜单中【Points】左边的方框，在工作界面中显示模型中的所有点。

进水边圆弧圆

心

图5-2-5 创建旋转周期基准点

单击下图中的【】命令，设置周期基准点及基准轴。

勾选，定义周期

勾选，定义类型为旋转周期

基准点为前面已经建立的那个点；基准

轴选取旋转轴，这里为Z轴；角度为

360/n(n为叶片数)，这里为72度

图5-2-6 定义周期

根据以上章节的步骤，对轴流泵叶片各个面建立相应的Part，所不同的是，这里要对周期面分别建立单独的part，然后建立拓扑，生成三维块，并且首先关联其中一个周期面上的四个端点。

图5-2-7 关联一侧周期面

单击【Blocking 】下拉菜单中的【】，然后单击【】，建立对应的周期点，完成另一个周期面上四个端点的关联。