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。

2 间接耦合求解：而间接耦合不需要重写本构方程，仅只利用当前比较成熟的单物理场求解器求解各自相域，并实现不同的物理场之间的信息交换。

范例（一个经典的间接耦合求解范例步骤）：利用CFX 进行全三维非定常粘性数值模拟，利用ANSYS 进行结构瞬态动力分析，其耦合面数据交换以MFX-ANSYS/CFX为平台，在每个物理时间步上进行耦合迭代，各自收敛后再瞬态向前推进，结构变形引起的流场网格位移由CFX内部的动网格技术来处理，整个耦合过程充分考虑了流场的三维非定常性和结构响应的瞬态变化。/s/blog_6817db3a0100ju4s.html）

迭代求解,也就是在流场,结构上分别求解,在各个时间步之间耦合迭代,收敛后再向前推进.好

处就是各自领域内成熟的代码稍作修改就可以应用.其中可能还要涉及一个动网格的问题,由于结构的变形,使得流场的计算域发生变化,要考虑流场网格随时间变形以适应耦合界面的变形

单向流固耦合：单向流固祸合是在不同的藕合场进行交叉迭代,通过场间藕合媒介交换祸合信息"单向流固祸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,不影响流场的分布"基本思路是先计算出流场分布,然后将其中的关键参数作为载荷加载到固体结构上,通过结构分析实现单向祸合计算。

文献阅读：红色字体为关键字，绿色标记为存在疑问的地方

a)探讨流固耦合分析方法—沈阳工程学院学报（自然科学版）2008年10月

第四卷第四期作者：曾娜，郭小刚湘潭大学土木工程与力学学院湖南湘潭

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1 流固耦合研究发展的3个标志：由线性流固耦合问题发展到非线性流固耦合

问题;由固体结构的变形和强度问题发展到固体的屈曲问题;计算格式从单纯的固体有限元格式或流体的差分格式到混合或兼容的流固格式。例如：现在已经能在固体结构中考虑材料非线性和几何非线性；在流体中考虑粘性和空化等效应的流体模型，从而得以模拟出晃动，空化，飞溅等流固耦合行为。在流体激发振动中也已经开始考虑复杂的结构阵列和流体流动。

2 流固耦合力学分析中的网格划分一致性问题：流体计算关注与固体结构所接触

表面周围的流动区域,而固体计算则关心作用在固体表面的载荷以及载荷对结构内部

所造成的影响。因此,进行网格划分时,固体结构和流体结构的网格密度将会不同,从而导致划分后的网格不能完全重合.此外,即使最初的网格划分一致,随着交互作用的不

断变化,也不能保证相交界面上流体网格和固体网格完全重合,这就要求在计算中对流、固交界面上的参数进行转换.

3 计算流固耦合问题的两类数值方法：一类是结构部分和流体部分都按有限元法

进行离散,建立流体与固体耦合的振动方程式;另一类是结构部分仍按有限元法进行离散,而流体部分用边界元法离散,然后建立流固耦合振动方程式。优缺点：应用流体有限元和结构有限元结合的方法可以计算流体对复杂形状结构的影响,但这一方法一

般要求电子计算机有较大的容量,并且计算机时较长；边界元方法只对边界积分方程

离散求解,计算量相对较小，同时边界元法还能十分有效地处理流体水动力计算以及

无限域流场（无限流域场无法用有限元法和差分法解决，解决方法之一为无限元和有限元结合的方法，但问题在于无限元法的解的稳定性和衰减长度的不确定性，限制了无限元法发展）。

4 干模态法及交叉迭代法：结合流体边界元和结构有限元求解流固耦合问题,采

用迭代法求解流固耦合振动的特征,为了使迭代迅速、波动小,用结构在空气的振动模态(干模态)作为初始迭代向量,经过若干次迭代收敛于湿模态。具体步骤实例：以求解矩形板结构水弹性问题为例,其基本思路和具体步骤如下:

1以薄壳单元和空间梁单元离散结构,以平面四边形单元离散流体边界.

2运用结构有限元法求出离散结构的刚度阵和质量阵

3 选定一个初始频率w1.