流固耦合的研究与发展综述(可编辑修改word版)

流固耦合的研究与发展综述

目录

1.引言 ............................................................................................ ..- 1 -

2.流固耦合的分类与发展 ............................................................ ..- 1 -

3.流固耦合的研究方法 ................................................................ ..- 2 -

4.流固耦合计算法 ........................................................................ ..- 4 -

5.软件应用方法 ............................................................................ ..- 6 -

6.总结与展望.........................................- 14 - 参考文献.............................................- 15 -

流固耦合的研究与发展

1.引言

近来，航空航天工业在世界上发展迅速，而作为“飞机心脏”的航空发动机是限制其发展的主要因素。目前，航空发动机日益向高负荷、高效率和高可靠性的趋势发展，高负荷导致的高你压力梯度容易引起流动分离，同时随着科技的发展，航空发动机的设计使得材料越来越轻，越来越薄，这就使得发动机内部的不稳定流动对叶片的影响大大增加，成为发动机气动及结构设计要考虑的关键问题之一。而以往单单考虑气动或结构因素不能满足实际的需求，必须将气动设计和结构设计相结合，考虑其相互作用的影响，因此流固耦合的研究应运而生。

流固耦合是流体力学与固体力学交叉而生成的一门独立的力学分支,它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场影响。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用,固体在流体动载荷作用下会产生变形或运动，而固体的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。

2.流固耦合的分类与发展

总体上，从流固耦合的机理上可以分为两大类：第一类，耦合作用仅仅发生在两相交界面上，在方程上的耦合是由两相耦合面上的平衡及协调来引入的如气动弹性、水动弹性等；第二类，两相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来体现。

从 20 世纪 80 年代以来, 流固耦合的研究便一直受到世界学术界的广泛关注，近年来流固耦合研究发展的 3 个标志为：①由线性流固耦合问题发展到非线性流固耦合问题；②由固体结构的变形和强度问题发展到固体的屈曲问题；③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。现已能在固体和结构中考虑材料非线性和几何非线性；在流体中也开始考虑有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。使其更加接近真实情况，从而可以更好的应用于实际情况中。

3.流固耦合的研究方法

流固耦合的研究经历了持续的发展，按照发展的先后顺序，可以分为单步耦合、多步耦合、直接耦合三个阶段。

1)单步耦合

单步耦合应用频域法假设结构体以一个已知的频率和幅值进行运动，然后求解非定常气动力做功来判断稳定性。单步耦合往往需要先求解结构体的变形，然后通过将结构体的变形作用于流场，进而计算系统的阻尼和稳定性。单步耦合中对流场的求解经历了从线性到非线性的发展过程。Stuart Moffatt 和Li He 先利用 ANSYS 计算出叶片模态振型，然后将模态振型以一定幅值耦合到流体边界，求解气动功和气动阻尼。北京航空航天大学张小伟等利用 ANSYS 计算了 NASA67

的弯曲振动阶模态，然后在流场中给定叶片振幅计算了气动力和气动阻尼。张正秋、邹正平等也利用单步耦合方法对叶轮机颤振预测和稳定性分析作了讨论。单步耦合研究叶片结构的稳定性，没有考虑到结构体和流体的相互作用，因此需要加以改进。

2)多步耦合

多步耦合方法与单步耦合方法相同之处在于都需要对结构体和流体场进行分别求解，不同之处在于单步耦合仅进行了一次数据交互，而多步耦合需要在多个时间点上进行交互计算，即每一次计算完成之后都需要在流体和结构体的交界面上进行载荷和位移等参数的传递。多步耦合法的难点在于进行时间离散之后，结构体和流体场之间的数据交互总是存在滞后。Volker Carsterns 介绍了多步耦合中使用的常规交错迭代法及其改进方法；S.Piperno 对带预估的交错迭代方法进行了介绍；M.Sadeghi 开发出叶栅颤振的多步耦合程序，研究了不同的数据传递方法在计算中的应用。西北工业大学徐敏等针对柔性大展弦比机翼发展了一种 CFD/CSD 的多步耦合方法。南京航空航天大学郭同庆、陆志良等用二级精度的龙格-库塔时间推进对结构运动方程进行求解，用非定常欧拉方程双时间有限体积推进对气动力进行求解，用多步耦合的方法计算了机翼的静气弹特性。

3)直接耦合

直接耦合法又称为整体积分法，该方法对结构体和流体场用统一的方程进行描述，按照统一的数值方法进行离散求解，从而在时间上实现了同步，不存在滞后现象。Bendiksen 用一种混合欧拉-拉格朗

日方程对流固耦合系统进行了求解，在耦合边界面实现了欧拉格式向朗格朗日格式的转换；Ge-Cheng Zha 等利用直接耦合法对失谐叶盘进行了高周疲劳预测分析。由于直接耦合法涉及到不同模型和求解方法的转换，理论尚未完全成熟，开展的应用较少，国内尚处于起步阶段。

比较三种耦合方法可知，单步耦合法计算量较小，能较快得到结果，但因为没有考虑后续时间里流场对结构体的反作用，不能反映两种介质之间的能量传递；直接耦合方法准确直观，但是还需深入研究；多步耦合在目前的条件下比较容易开展研究。

4.流固耦合计算法

流固耦合的数值计算问题，早期是从航空领域的气动弹性问题开

始的，这也就是通过界面耦合的情况，只要满足耦合界面力平衡，界

面相容就可以。求解气动弹性问题的耦合方法通常可以分为两种:强耦合和弱耦合，强耦合方法需要对CFD和CSD方程同时进行求解，弱耦合方法是模块化的形式。其耦合通过CFD网格点上的载荷转换到CSD节点上和CSD节点上的位移插值到CFD网格点上数据交换实现。在这种弱耦合方法中,CSD和CFD网格位移可保持高精度。Guruswamy通过在动网格上建立带有欧拉/纳维-斯托克斯方程模型的方法证明了弱耦合技术。Guruswamy和Byun提出了求解二维翼型的气动弹性的一种弱耦合方法。并证明了这种松耦合方法是有效和精确的。

在流固耦合问题的计算中，各国学者提出了不少的方法，经过归纳终结，基本可以概括为以下两个方面：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