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

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system coupling类型）。

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，当然用户也可以在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。

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。