流固耦合原理 PPT
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。
第九讲 流固耦合
自动耦合
欧拉施加的压力通过拉格朗日 表面进行积分得到节点力
拉格朗日相当于给欧拉施加 了流动约束
它们之间不考虑摩擦
部分覆盖的单元被自动合并 （ Blended） 自动接触能够考虑侵蚀
Blended cells
拉格朗日体的（Lagrange part）整个外表面自动和欧 拉进行接触 欧拉施加压力给拉格朗日
刚体欧拉耦合
全耦合– 水下爆炸
水下爆炸对舰艇的影响
刚体欧拉耦合
刚体壳
水和空气使用3D多物质欧拉
全耦合 – 水面爆炸对舰艇的影响
靠近舰艇的空气中爆炸
刚体欧拉耦合 刚体壳 水和空气使用3D多物质欧拉
全耦合 – 爆炸对舰艇壳体的冲击变形
靠近舰艇的空气中爆炸
刚体欧拉耦合 刚体壳 水和空气使用3D多物质欧拉
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
RPG爆炸冲击波和破片对 CFRP翼箱的破坏
空气中爆炸采用冲击波求 解器 RPG壳体 (破片) 和翼箱
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 :
Test in Large Blast Simulator
abaqusFSI流固耦合教程PPT课件
1 abaqus/CFD模块简介
第13页/共52页
1 abaqus/CFD模块简介
1.3 入门实例
第14页/共52页
2、abaqus流固耦合简介
第15页/共52页
2 abaqus流固耦合简介
2.1 概述 流固耦合即FSI，是指流体的运动会影响固体，而固体变化又会反过来影响流体运动。
第47页/共52页
4、热流耦合操作与实例
1、建立几何模型 PCB板尺寸 7.8X11.6X0.16 cm 芯片尺寸 3X3X0.7 cm 发热块尺寸 1.8X1.8X0.3cm 核心尺寸 0.75X0.75X0.2cm 空气尺寸 27.8X20X12.56 cm
第48页/共52页
4、热流耦合操作与实例
第9页/共52页
1 abaqus/CFD模块简介
第10页/共52页
1 abaqus/CFD模块简介
第11页/共52页
1 abaqus/CFD模块简介
1.2 abaqus/cfd的介绍 采用基于混合有限体积和有限元元的计算方法 只能采用非可压缩流、基于压力的求解器 可选择层流和湍流 从6.10版开始引入 前后处理及求解都可以在软件中完成
目录
• 1、abaqus/CFD模块简介 • 2、abaqus流固耦合简介 • 3、流固耦合操作与实例 • 4、流热耦合操作与实例
第1页/共52页
1、abaqus/CFD模块简介
第2页/共52页
1 abaqus/CFD模块简介
1.1 计算流体动力学基础
第3页/共52页
1 abaqus/CFD模块简介
第43页/共52页
3、流固耦合操作与实例
润滑油简化为不可压缩、均匀介质 质量864Kg/m3 动力粘度4.33cp 比定压热容2063J/(Kg.K) 入口速度1.93m/s
流固耦合原理 ppt课件
流固耦合原理
不同工况时的降雨强度及降雨持时
Part 5
模耦拟合计机算理结果分析
◎不同时刻地下水浸润面
流固耦合原理
◎稳定性分析
不同水位时的稳定系数
Part 5
模耦拟合计机算理结果分析
◎应力场分析
流固耦合原理
初始状态最大剪应变增量分布(m） 完全饱和状态最大剪应变增量分布(m）
Part 5
模耦拟合计机算理结果分析
◎位移场分析
流固耦合原理
完全饱和状态时的位移矢量图
完全饱和状态时的速率矢量图
Part 5
模耦拟合计机算理结果分析
◎位移场分析
流固耦合原理
完全饱和状态时X方向位移云图(mm) 完全饱和状态时y方向位移云图(mm)
Part 1
耦合机结理论
流固耦合分析的基本步骤： 1.建立物理模型 2.建立流——固耦合数学模型 3.建立渗流场影响下的应力场方程 4.建立应力场影响下的渗流场方程 5.补充定解条件 6.进行流——固耦合数值模拟 7.模拟结果分析 8.结论
流固耦合原理
Part 1 土石混耦合体机边理坡失稳的流一固耦合数学模型
◎渗流场影响下的应力场方程
（1）本构关系 （2）几何方程 （3）应力平衡方程
渗流场影响下的应力场方程
流固耦合原理
Part 1 土石混耦合体机边理坡失稳的流一固耦合数学模型
◎应力场影响下的渗流场方程 （1）考虑流体、固体骨架分担荷载的有效应力原理 流体质点的速度 （2）土石混合体骨架的连续性方程
流固耦合原理
◎岩体渗流场与应力场的耦合 渗流场通过施加于裂隙壁面上的法向渗透压力和切向托曳
力而影响岩体的应力分布；应力通过改变裂隙宽度而影响裂 隙的渗透系数，从而影响岩体的渗透性及岩体的渗流场。 ◎土体渗流场与应力场的耦合
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1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
A Monolithic FEM/Multigrid ALE-FSI Solver
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A fluid-structure model with the wall modelled as a thin shell was used to model the left heart ventricle in [6,7] and [8,9]. In [10,11] a similar approach was used to model the flow in a collapsible tube. In these models the wall is modelled by two-dimensional thin shells which can be modified to capture the anisotropy of the muscle. In reality the thickness of the wall can be significant and very important. For example in arteries the wall thickness can be up to 30% of the diameter and its local thickening can lead to the creation of an aneurysm. In the case of heart ventricle the thickness of the wall is also significant and also the direction of the muscle fibers changes through the wall. 1.2 Theoretical Results
流固耦合原理
第一章 流固耦合原理
Part 1
流一固耦合问题的求解方法
建立满足一定初始条件和边界条件的微分或偏微分方程 通过解析法和数值计算的方法来求出精确解或数值解
◎解析方法
◎数值方法
第二章 土石混合边坡失稳的流固耦合原理
Part 1
土石混合体边坡失稳的流一固耦合数学模型 耦合机理
◎基本假定
（1）土石混合体是完全饱和各向同性体线弹性体 （2）固体颗粒和孔隙水可以压缩 （3）固体骨架的变形遵从Terzaghi有效应力原理 （4）孔隙水渗流服从Darcy定律 （5）岩土质点在渗流过程中要发生位移 （6）土石混合体的孔隙率和渗透系数是动态变化的
流固耦合原理
——土石混合体边坡失稳的流一固耦合特性研究
何晓英
研究目的
云阳凉水井滑坡
巫山滑坡
新滩土石混合体边坡
库区土石混合体边坡
第一章 流固耦合原理
Part 1
基本概念
在力学领域中渗流场与应力场耦合作用又 被称之为“流一固耦合作用”；
在地球科学领域中常称之为“水一岩(土)相 互作用”。
第一章 流固耦合原理
第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟
Part 5
模拟计算结果分析 耦合机理
◎位移场分析
完全饱和状态时的位移矢量图
完全饱和状态时的速率矢量图
第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟
Part 5
模拟计算结果分析 耦合机理
◎位移场分析
完全饱和状态时X方向位移云图(mm)
完全饱和状态时y方向位移云图(mm)
第四章 结论
Part 1
结论 耦合机理
流固耦合分析的基本步骤：
1.建立物理模型 2.建立流——固耦合数学模型
(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_向耦合
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流固耦合原理 ppt课件
耦合机结理论
流固耦合分析的基本步骤： 1.建立物理模型 2.建立流——固耦合数学模型 3.建立渗流场影响下的应力场方程 4.建立应力场影响下的渗流场方程 5.补充定解条件 6.进行流——固耦合数值模拟 7.模拟结果分析 8.结论
流固耦合原理
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流固耦合原理
——土石混合体边坡失稳的流一固耦合特性研究
0
云阳凉水井滑坡
流固耦合原理
巫山滑坡 库区土石混合体边坡
新滩土石混合体边坡
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精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
笨，没有学问无颜见爹娘 ……” • “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
3
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Part 1
基本概念
流固耦合原理
在力学领域中渗流场与应力场耦合作用又 被称之为“流一固耦合作用”； 在地球科学领域中常称之为“水一岩(土)相 互作用”。
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Part 1 土石混合体耦合机理
流固耦合原理
◎岩体渗流场与应力场的耦合 渗流场通过施加于裂隙壁面上的法向渗透压力和切向托曳
力而影响岩体的应力分布；应力通过改变裂隙宽度而影响裂 隙的渗透系数，从而影响岩体的渗透性及岩体的渗流场。 ◎土体渗流场与应力场的耦合
渗流通过施加于某作用面上的渗透压力和在渗流区域内分 布的渗流体积力而影响土体的应力分布;应力通过改变土体的 体积应变及孔隙率而影响岩体的渗透系数，从而影响渗流场 。
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Part 1 流一固耦合问题的求解方法
室内地质力学模型 ◎物理模拟 现场试验模型
11第十一章 流固耦合分析
第十一章流固耦合分析LS-DYNA除了具有强大的结构动力分析模块外，还具有强大的流体与固体相互耦合的功能，广泛应用于各种爆炸（水下、空中、建筑物和土壤中）、气囊展开、体积成型，罐内液体晃动等分析中。
下面具体讨论怎样应用LS-DYNA进行流固耦合分析及应该注意的一些问题，也希望通过本章的学习对LS-DYNA流固耦合分析方法有深入的了解和掌握。
11.1 Lagrangian、Eulerisn和ALE算法在LS-DYNA中三维单元有三种基本的算法：Lagrangian、Eulerisn和ALE（任意拉格朗日欧拉算法）算法，是由关键字*SECTION_SOLID中的ELFORM控制的:从上面可知ELFORM的取值不一样导致单元算法的不一样，可用于流固耦合分析的单元公式如下（不包括1）：1 = 常应力实体单元（纯粹的Lagrangian算法）5 = 中心单点积分的ALE算法（单元内为单一材料）6 = 中心单点积分的Eulerisn单元（单元内为单一材料）7 = 中心单点积分的环境Eulerisn单元（用于Eulerisn计算的进出口边界）11 = 中心单点积分的ALE多物质单元（一个单元内可以包含多种物质）12 = 中心单点积分的带空白材料的单物质ALE单元149150Lagrangian 、Eulerisn 和ALE 算法的区别算法的区别：：LS-DYNA 程序具有Lagrange 、Euler 和ALE 算法，Lagrange 算法的单元网格附着在材料上，随着材料的流动而产生单元网格的变形。
但是在结构变形过于巨大时，有可能使有限元网格造成严重畸变，引起数值计算的困难，甚至程序终止运算。
ALE 算法和Euler 算法可以克服单元严重畸变引起的数值计算困难，并实现流体-固体耦合的动态分析。
ALE 算法先执行一个或几个Lagrange 时步计算，此时单元网格随材料流动而产生变形，然后执行ALE 时步计算：（1）保持变形后的物体边界条件，对内部单元进行重分网格，网格的拓扑关系保持不变，称为Smooth Step ；（2）将变形网格中的单元变量（密度、能量、应力张量等）和节点速度矢量输运到重分后的新网格中，称为Advection Step 。
流固耦合原理课件
第三章 土石混合边坡失稳的流固耦 合数值模拟
Part 5
模耦拟合计机算理结果分析
◎位移场分析
完全饱和状态时的位移矢量图
完全饱和状态时的速率矢量图
学习交流PPT
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第三章 土石混合边坡失稳的流固耦 合数值模拟
Part 5
模耦拟合计机算理结果分析
◎位移场分析
完全饱和状态时X方向位移云图(mm) 完全饱和状态时y方向位移云图
◎应力场分析
初始状态最大剪应变增量分布(m） 完全饱和状态最大剪应变增量分布(m）
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第三章 土石混合边坡失稳的流固耦 合数值模拟
Part 5
模耦拟合计机算理结果分析
◎应力场分析
完全饱和状态时塑性区分布图
完全饱和状态时最大主应力云图(Pa)
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Part 4
耦模合拟机降理雨过程
◎不同时刻地下水浸润面
不同工况时的降雨强度及降雨持时
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第三章 土石混合边坡失稳的流固耦 合数值模拟
Part 5
模耦拟合计机算理结果分析
◎不同时刻地下水浸润面
◎稳定性分析
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不同水位时的稳定系数
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第三章 土石混合边坡失稳的流固耦 合数值模拟
◎定解条件 l)边界条件
第一类(己知水头边界条件）
第二类(流量边界条件）
第三类边界条件(混合边界条件）
2)初始条件
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第二章 土石混合边坡失稳的流固耦 合原理
Part 1 土石混耦合体机边理坡失稳的流一固耦合数学模型
◎应力场定解条件 l)位移边界条件
l)应力边界条件
流固耦合FluidStructureInteraction
FV Mesh
n
CSM CFD
n+1
n+2
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动网格功能
网格的Morphing
• 主要针对变形量比较小的情况
• Overset Mesh
• 允许大的刚体运动 • 无需网格重构
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能源
• Wind Turbine Blades • Riser Vortex Induced Vibration
透平机械
• Blade Cooling • Flutter
生命科学
• Blood Circulatory • Pulmonary • Pharma
汽车
• Under Hood • Roof Deflector • Hydroplaning • Fuel Tank Sloshing
FSI
数据映射 • CCM+可以导入/导出结构 的模型/结果数据 • 壳和体的映射 • 灵活自动
CoSimulation
CAE Mapping
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FSI Examples
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简介
连续介质力学
固体力学
牛顿第二定律
流体力学
N-S方程形式的牛顿第二定律
弹性材料: 胡克定律 塑性材料:
牛顿流体: Stokes 非牛顿流体:
静力学 (无惯性力) 动力学
稳态(惯性力) 瞬态 (与时间相关的流场)
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第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟
Part 5
模耦拟合计机算理结果分析
◎应力场分析
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
完全饱和状态时塑性区分布图
完全饱和状态时最大主应力云图(Pa)
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第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟
Part 5
模耦拟合计机算理结果分析
◎渗流场分析
初始状态孔隙水压力分布
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完全饱和状态孔隙水压力分布
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Part 1 土石混合体耦合机理
第一章 流固耦合原理
◎岩体渗流场与应力场的耦合 渗流场通过施加于裂隙壁面上的法向渗透压力和切向托曳
力而影响岩体的应力分布；应力通过改变裂隙宽度而影响裂 隙的渗透系数，从而影响岩体的渗透性及岩体的渗流场。 ◎土体渗流场与应力场的耦合
渗流通过施加于某作用面上的渗透压力和在渗流区域内分 布的渗流体积力而影响土体的应力分布;应力通过改变土体的 体积应变及孔隙率而影响岩体的渗透系数，从而影响渗流场。
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Part 1 流一固耦合问题的求解方法
第一章 流固耦合原理
建立满足一定初始条件和边界条件的微分或偏微分方程 通过解析法和数值计算的方法来求出精确解或数值解
◎解析方法
◎数值方法
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第二章 土石混合体边坡失稳的 流——固耦合数学模型
第二章 土石混合边坡失稳的流固耦合原理
Part 1 土石混耦合体机边理坡失稳的流一固耦合数学模型
◎基本假定
（1）土石混合体是完全饱和各向同性体线弹性体 （2）固体颗粒和孔隙水可以压缩 （3）固体骨架的变形遵从Terzaghi有效应力原理 （4）孔隙水渗流服从Darcy定律 （5）岩土质点在渗流过程中要发生位移
（6）土石混合体的孔隙率和渗透系数是动态变化的
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第二章 土石混合边坡失稳的流固耦合原理
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第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟
Part 5
模耦拟合计机算理结果分析
◎不同时刻地下水浸润面
◎稳定性分析
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不同水位时的稳定系数
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第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟
Part 5
模耦拟合计机算理结果分析
◎应力场分析
初始状态最大剪应变增量分布(m） 完全饱和状态最大剪应变增量分布(m）
Part 2 数值分耦析合模机型理及计算条件 ◎计算模型
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第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟
Part 3 数值分耦析合模机型理及计算条件 ◎边坡剖面有限元网格划分
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第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟
Part 4
耦模合拟机降理雨过程
◎不同时刻地下水浸润面
不同工况时的降雨强度及降雨持时
流固耦合原理
——土石混合体边坡失稳的流一固耦合特性研究
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云阳凉水井滑坡
研究目的
巫山滑坡
库区土石混合体边坡
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新滩土石混合体边坡
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Part 1
基本概念
第一章 流固耦合原理
在力学领域中渗流场与应力场耦合作用又 被称之为“流一固耦合作用”； 在地球科学领域中常称之为“水一岩(土)相 互作用”。
6.进行流——固耦合数值模拟
7.模拟结果分析
8.结论
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第四章 结论
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THE END
——何晓英
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Bye Bye
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第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟
Part 5
模耦拟合计机算理结果分析
◎渗流场分析
完全饱和状态大孔家隙好水压力分布
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第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟
Part 5
模耦拟合计机算理结果分析
◎位移场分析
完全饱和状态时的位移矢量图大家好 完全饱和状态时的速率矢量图 23
第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟
（3）孔隙流体(不考虑源汇项)的连续性方程
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第二章 土石混合边坡失稳的流固耦合原理
Part 1 土石混耦合体机边理坡失稳的流一固耦合数学模型 ◎应力场影响下的渗流场方程 联立以上式子得 土石混合体流一固耦合渗流场连续性方程
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第二章 土石混合边坡失稳的流固耦合原理
Part 1 土石混耦合体机边理坡失稳的流一固耦合数学模型
◎定解条件 l)边界条件
第一类(己知水头边界条件）
第二类(流量边界条件）
第三类边界条件(混合边界条件）
2)初始条件
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第二章 土石混合边坡失稳的流固耦合原理
Part 1 土石混耦合体机边理坡失稳的流一固耦合数学模型
◎应力场定解条件 l)位移边界条件
l)应力边界条件
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第三章 土石混合体边坡失稳的 流一固耦合数值模拟
第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟
Part 1 分 耦析合方机理法
研究边坡变形破坏机理的主要手段主要有
室内地质力学模型 ◎物理模拟 现场试验模型
◎数值模拟
差分法 有限元法 边界元法
离散元法
连续介质、小变形 拉格朗日算法、大变形
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第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟
Part 5
模耦拟合计机算理结果分析
◎位移场分析
完全饱和状态时X方向位移云图(mm) 完全饱和状态时y方向位移云图(mm)
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Part 1
耦合机结理论
流固耦合分析的基本步骤：
1.建立物理模型
2.建立流——固耦合数学模型
3.建立渗流场影响下的应力场方程
4.建立应力场影响下的渗流场方程
5.补充定解条件
Part 1 土石混耦合体机边理坡失稳的流一固耦合数学模型
◎渗流场影响下的应力场方程
（1）本构关系 （2）几何方程 （3）应力平衡方程
渗流场影响下的应力场方程
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第二章 土石混合边坡失稳的流固耦合原理
Part 1 土石混耦合体机边理坡失稳的流一固耦合数学模型
◎应力场影响下的渗流场方程 （1）考虑流体、固体骨架分担荷载的有效应力原理 流体质点的速度 （2）土石混合体骨架的连续性方程