双向流固耦合实例Fluent与structure

双向流固耦合实例( Fluent 与 structure)

说明：本例只应用于FLUENT14.0 以上版本。

ANSYS 14.0 是2011 年底新推出的版本，在该版本中，加入了一个新的模块System Coupling ，目前只能用于fluent 与ansys mechanical 的双向流固耦合计算。官方文档中有介绍说以后会逐渐添加对其它求解器的支持，不过这不重要，重要的是现在FLUENT 终于可以不用借助第三方软件进行双向流固耦合计算了，个人认为这是新版本一个不小的改进。

模块及数据传递方式如下图所示。

一、几何准备流固耦合计算的模型准备与单独的流体计算不同，它需要同时创建流体模型与固体模型。在geometry 模块中同时创建流体模型与固体模型。到后面流体模型或固体模块中再进行模型禁用处理。

模型中的尺寸：v1:32mm ，h2:120mm ，h5:60mm ，h3:3mm ，v4:15mm 。由于流体计算中需要进行动网格设置，因此推荐使用四面体网格。当然如果挡板刚度很大网格变形很小时，可以使用六面体网格，划分六面体网格可以先将几何进行slice 切割。这里对流体区域网格划分六面体网格，固体域同样划分六面体网格。

二、流体部分设置

1、网格划分

双击B3 单元格，进入meshing 模块进行网格划分。禁用固体部分几何。设定各相关部分的尺寸，由于固体区域几何较为整齐，因此在切割后只需设定一个全局尺寸即可划分全六面体网格。这里设定全局尺寸为1mm 。划分网格后如下图所示。

2 、进行边界命名，以方便在 fluent 中进行边界条件设置

变形域），设定与固体交界面为壁面边界（该边界在动网格中设定为 操作方式：选择对应的表面，点击右键，选择菜单 create named selection ，然后输入相 应的边界名称。 注意： FLUENT 会自动检测输入的名称以使用对应的边界类型， 在 fluent 进行类型更改。完成后的树形菜单如下图所示。

本部分操作完毕后，关闭 meshing 模块。返回工程面板。

3 、进入 fluent 设置

FLUENT 主要进行动网格设置。其它设置与单独进行 FLUENT 仿真完全一致。 设置使用瞬态计算，使用 K-Epsilon 湍流模型。

这里的动网格主要使用弹簧光顺处理（由于使用的是六面体网格且运动不规律），需要使 用

TUI 命令打开光顺对六面体网格的支持。使用命令 /define/dynamic-mesh/controls/smoothing-parameters 。

动态层技术与网格重构方法在六面体网格中失效。因此，建议使用四面体网格。我们这里 由于变形小，所以只使用光顺方法即可满足要求。

点击 Dynamic mesh 进入动网格设置面板。如下图所示，激活动网格模型。

设置左侧面为速度进口 velocity inlet ，右侧面为自由出流 outflow ，上侧面为壁面边界

wall_top ，正对的两侧面为壁面边界 wall_side1 与 wall_side2

这两个边界在动网格设定中为 system coupling 类型）

当然用户也可以

4、smoothing 参数

使用弹簧光顺方法。设置参数弹簧常数0.6 ，边界节点松弛因子0.6 。如下图所示

5、运动区域设置主要包括三个运动区域：流固耦合面、两侧的面。其中流固耦合面运动方式为system coupling ，两侧壁面运动类型为deforming 。设置最小网格尺寸0.8 ，最大网格尺寸1.5 ，最大扭曲率0.6 。如下图所示（点击查看大图）。

6 、其它设置

包括求解控制参数设置、动画设置、自动保存设置、初始化设置、计算时间步及步长设置等。与单独FLUENT 使用没有任何差异。迭代参数设置如下图所示

关闭FLUENT ，返回工程面板。

二、固体部分设置

1、材料设置

双击C2 单元格进入固体材料设置。这里保持默认的结构钢。弹性模量2.1e11Pa ，泊松比0.3 。需要注意的是材料特性决定了变形，因此对于刚度小的材料可能会存在大的位移，在流体求解器中动网格设置时需要加以关注。

点击retrun to project 回到工程面板。

2、网格划分及进行约束

双击C4 单元格进入固体网格划分模块。设定网格尺寸1mm 划分网格。添加流固耦合面及固定边界约束。

设置分析参数，时间步长设置为0.01s ，总时间为1s 。如下图所示。

设置完毕后，关闭DS 返回工程面板。右键单击C5 单元格，选择update 进行更新

三、System Coupling 设置

1、设置时间耦合

双击D2 单元格，进入System Coupling 面板。点击Analysis Settings ，如左下图所示

在弹出的面板中设置end time 为1s，设置step size 为0.01s ，如右上图所示。2、设置耦合面

点选ctrl 的同时选择固体与流体中的耦合面名称，点击右键，创建流固耦合面。如下图所示。

点击Co-Sim. sequence 单元格，在弹出的编辑面板中设置各求解器的启动顺序。设置fluent 为1，Transient 为2 。如下图所示

3、进行流固耦合计算通过点击工具栏上的Update Project 按钮进行流固耦合计算。