基于ANSYS的流固耦合问题数值模拟

兰州大学

硕士学位论文

基于ANSYS的流固耦合问题数值模拟

姓名：娄涛

申请学位级别：硕士

专业：力学、固体力学

指导教师：高原文

20080501

基于ANSYS的流固耦合问题数值模拟

作者：娄涛

学位授予单位：兰州大学

1.期刊论文王自明.杜志敏变温条件下弹塑性油藏中多相渗流的流固耦合数学模型与数值模拟-石油勘探与开发

2001,28(6)

基于流固耦合力学理论和热力学理论，建立了变温条件下弹塑性油藏中多相渗流的数学模型。假设油藏中岩石固相骨架是可变形的，孔隙流体压力、温度场的变化将导致油藏内有效应力发生变化，从而导致岩石骨架变形，这种变形反过来又影响多相流体的渗流。建立变温条件下完全耦合的流体渗流方程和固相变形方程，它们互不独立，不能单独求解，只能联立求解。假设岩石骨架具有弹塑性，采用了建立在屈服准则基础上的弹塑性本构模型。针对某些温度场变化大的油藏，如注热水、注蒸汽开采的油藏，充分考虑了温度场变化对岩石骨架变形和流体渗流的影响。将"热载荷"概念引入固相变形方程来描述这种影响，并给出了热载荷的求法。交替运用有限差分和有限元法给出变温条件下的耦合数值模拟方法。所建立的数值模拟方法可作为编制变温流固耦合软件的依据。参11(王自明摘)

2.期刊论文冉启全.顾小芸.Ran Qiquan.Gu Xiaoyun弹塑性变形油藏中多相渗流的数值模拟-计算力学学报

1999,""(1)

基于流固耦合力学理论,建立了弹塑性变形油藏中多相渗流的数学模型,该模型考虑了渗流与变形的耦合作用,以及注采交变载荷作用下油藏多孔介质的弹塑性变形特征;给出了耦合数值模拟方法和算例.

3.学位论文周小利弹性圆柱薄壳在流体作用下的变形与内力分析2006

流固耦合力学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的一门新兴交叉学科，具有重要的理论意义和广泛的应用领域。国内外对这一领域的研究主要集中在耦合系统动态问题的数值分析方面，且已经有很多研究成果。相比之下，流固耦合理论分析的发展较为缓慢，现有的理论研究成果也比较少。本文主要应用相容拉格朗日-欧拉法理论求解弹性圆柱薄壳与横向绕流场的相互作用问题，着重求解壳体的变形与内力。

首先，应用相容拉格朗日-欧拉法推导出流固接触面的运动学方程和动力学方程。给出非线性流固耦合问题分类准则，并由此得出弹性圆柱壳分别发生大弯曲变形、中等弯曲变形和小弯曲变形时接触面的运动学方程和动力学方程。其次，在圆柱壳非线性基本方程、流体力学基本方程和接触面方程的基础上，得出弹性圆柱壳在流体绕流作用下分别发生大弯曲变形、中等弯曲变形和小弯曲变形时的偏微分方程组。通过适当的简化将偏微分方程转化为代数方程并得出理论解。通过具体算例，得出三种不同弯曲问题中壳体变形、内力和流场分布函数的值，讨论有关参数的变化对圆柱壳变形和表面压力系数的影响，绘出关系曲线，并将三种弯曲问题进行比较。再次，应用有限元软件ANSYS的流固耦合模块对相应问题进行数值模拟。最终，将数值模拟的结果与理论解进行比较，从而证明了相容拉格朗日-欧拉法是求得流固耦合问题理论解的一个较好的方法。

4.期刊论文薛强.梁冰.李宏艳可压缩流体渗流的流固耦合问题数值模拟研究-地下空间2001,21(z1)

可压缩流体在多孔介质中的流动过程是流体流动和固体变形相互耦合作用的结果,研究多孔介质中流固耦合渗流规律对于完善流固耦合理论以及工程应用有着重要意义.本文在考虑了流体的可压缩性和固体变形影响的前提下,基于流固耦合力学理论,建立了地下水渗流问题的流固耦合数学模型,采用了编制FSC-SP程序的对数学模型进行数值求解.通过数值计算,比较了考虑耦合效应与非耦合效应之间的存在较大差异,这对于实际工程中流固耦合问题的数值模拟有着重要的理论意义和指导意义.

5.学位论文李俊无阀微泵多场耦合数值模拟及降阶建模2010

无阀微泵作为微机电系统中一类重要的微流体动力源，在众多领域具有非常广阔的应用前景。在微泵研制的过程中，性能预测非常重要，然而传统的实验研究往往在样机试制之后才能获知具体的性能，并且只能得到输出流量和压力，难以获知微泵内部的流动特性。而获悉微泵的内部流动特性，对研究微泵的机理以及结构设计具有积极的指导作用。微泵的未来发展，关键在于研发的样机能否实现产业化，这在很大程度上取决于如何有效地把计算机模拟引入到微泵的设计当中。因此，本文以数值模拟和降阶建模为基础，对涉及静电—结构—流体三场耦合的静电微泵展开研究，主要包括以下几个部分的内容：

1．简单地阐述了微流体的特性，给出了宏观流体力学理论的适用范围，并以流体力学理论为基础，从理论上证实了无阀微泵具有定向输送流体的功能，推导了无阀微泵的输出流量方程；通过有限元软件ANSYS/Flotran对扩张管和收缩管内流体特性进行了数值模拟。

2．介绍了流固耦合力学的理论，流固耦合问题的分类和特点；以泵膜的结构动力学方程为基础，把流体的质量矩阵叠加到结构的质量阵上，得到了微泵流固耦合系统的无阻尼振动方程，并利用有限元软件建立了泵膜．腔内流体耦合的有限元模型，分析了微泵的结构尺寸和腔内流体压力对泵膜湿模态的影响。

3．以数值计算和模态叠加法为基础，建立了静电微泵中静电驱动单元的降阶模型，利用该模型模拟了静电泵膜的静动态特性，并参数化研究了残余应力、泵膜厚度、泵膜半径、极板初始间隙对静电微泵吸合电压和吸合位置的影响；最后还以有限元提取的参数为基础，在Matlab/Simulink模块中通过添加非线性的比较和切换元件，完善了降阶模型的模拟功能，准确地模拟了泵膜的动态吸合—释放过程。

4．利用计算流体动力学软件CFD—ACE+，建立了无阀静电微泵的全耦合模型，求解时考虑了静电—结构—流场之间的相互作用，研究了静电微泵的动态吸合过程，得到了微泵内部的详细信息，还利用全耦合模型研究了不同驱动频率、不同背压下微泵的特性。此外，根据文献中提供的信息，建立了简化的固定边界模型，将三场耦合的复杂问题简化成纯流场问题，对两种模型进行了比较研究。结果表明：固定边界模型在虽然能够降低模拟过程中的求解花费，却无法准确地描述流体对泵膜的影响，各项模拟结果都存在很大程度的失真，而全耦合模型能准确地刻画微泵的工作过程，却要付出巨大的计算代价．

关键词：无阀微泵；静电驱动；降阶建模；流固耦合；计算流体动力学

6.会议论文薛强.梁冰.李宏艳可压缩流体渗流的流固耦合问题数值模拟研究2001

可压缩流体在多孔介质中的流动过程是流体流动和固体变形相互耦合作用的结果,研究多孔介质中流固耦合渗流规律对于完善流固耦合理论以及工程应用有着重要意义.本文在考虑了流体的可压缩性和固体变形影响的前提下,基于流固耦合力学理论,建立了地下水渗流问题的流固耦合数学模型,采用了编制FSC-SP程序的对数学模型进行数值求解.通过数值计算,比较了考虑耦合效应与非耦合效应之间的存在较大误差,这对于实际工程中流固耦合问题的数值模拟有着重要的理论意义和指导意义.

7.学位论文李磊流场模拟和流固耦合问题的网格新方法2009

流场模拟是利用计算流体动力学研究流体运动性质的必要前提。流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉形成的一门力学分支，作为研究流体固体两种介质相互作用的一种重要手段，正受到越来越多的关注。网格技术是研究流场和流固耦合问题的关键，网格的质量、适应性与计算效率是决定数值模拟成功与否的重要因素。本文主要针对流场和流固耦合模拟中存在的网格技术关键问题进行研究。

本文详细阐述现有的网格生成和更新方法，基于映射函数理论生成二维/三维流场结构化网格。针对应用中对场函数变密度的要求，提出可控制网格疏密度的插值公式，以此对物体周围流场进行网格剖分，验证其有效性。针对圆形域（柱形域）流场网格生成质量欠佳的缺陷，提出在目标域中建立内置块的策略，统计分析网格的最小内角分布且与原方法进行对比分析。运用自编程序，对大跨空间结构周围流场进行网格剖分。以此验证本方法对于复杂外形结构的良好适应性及计算有效性；并通过不同的网格模型对比发现，在结构附近区域加密的变密度网格模型，可在保证模拟精度较高的同时，明显提高网格生成及迭代计算的效率。

针对流体域的网格移动，提出基于映射结构化网格的插值更新新方法。采用映射插值函数，计算流体网格节点位移并与初始网格坐标值叠加，获取