聊聊Fluent内置流固耦合计算

Fluent新版本中增加的Structural模型可以用于求解固体结构物在外载荷作用下的应力应变。通过该模型可以在Fluent中实现单双向流固耦合计算。本文简单聊一聊Fluent中内置的流固耦合计算功能。

按照Fluent理论文档中的描述，结构求解器使用的似乎是有限元法，在Theory Guide 21.4.2.1节中明确表明了需要构造结构刚度矩阵以及使用形函数（只不过使用的是一阶形函数），这是有限元法区别于有限体积法的显著特征。

早期的版本中，结构模型仅能考虑材料小变形线弹性情况。在最近的几个版本中，结构模型添加了非线性及热应力计算功能。不过这里的非线性仅仅指的是几何非线性（即大变形情况），其并不能像其他通用结构软件一样处理材料非线性及接触非线性问题。不管是小变形还是大变形，Fluent目前都只能处理材料处于弹性阶段的变形情况，无法考虑材料的塑性变形。在指定材料参数时，材料的弹性模量与泊松比都只能指定为常数，而且在整个材料模型中也仅仅只能指定弹性模型与泊松比。

不过虽然Fluent中的结构模型功能较弱，但应付一些简单的流固耦合问题还是没有问题的，而且在Fluent内部直接进行流固耦合计算其实还是有不少好处的。

在以前没有结构模型的Fluent版本中，想要进行流固耦合计算，通常需要借助于其他的结构求解器（如ANSYS、Abaqus等），采用的方法常是将Fluent计算得到的压力数据导出来，然后作为载荷在结构求解器中加载到固体边界上去。由于大多数情况下流体区域的网格无法和固体结构网格完全吻合，在数据传递的过程中不可避免地需要进行插值，从而额外引入误差。另外，多款不同软件之间进行数据传递也并不容易，不仅需要空间一致，还得保证时间上一致，空间一致可以在网格生成过程中进行控制，时间一致多半就需要第三方软件来完成了（比如System Coupling模块就是用于解决时间不一致问题的）。

通过在Fluent中引入结构模型直接计算固体的应力应变，上面所有的问题都得到了解决。Fluent内置耦合强制要求在网格划分过程中流体区域和固体区域采用共节点，避免了流固耦合面上网格空间不一致的情况。而在Fluent计算过程中，不管是流体计算还是固体结构计算，使用的都是同一个时间步长，自然也不存在时间不一致的问题。另外，只在Fluent一个软件中进行耦合计算，对计算机内存的要求要低一些，而且在Fluent中计算结构模型效率也比较高。

目前Fluent中能够处理的耦合问题包括：

• 共轭传热计算。适用于计算流体与固体同时存在时的流场与温度。
• 流固耦合。适用于流场与固体应力场同时存在的系统。包括单向耦合与双向耦合。其中单向耦合计算流场作用下的固体结构应力应变，不考虑固体变形对流场的影响（通常用于固体变形非常小的场合）；双向耦合适用于计算流场作用下的固体变形及应力，同时计算固体变形对流场的影响。可以用于固体变形比较大的场合。这里固体变形对流体的影响主要通过动网格功能来实现。
• 热应力计算。适用于计算温度影响下的固体应力应变。
• 流固热耦合计算。适用于计算流场、温度场及固体结构应力场同时存在时的系统。也包括单向耦合与双向耦合。

当然其他物理模型如多相流、化学反应等于结构模型也并不冲突，一样可以参与进来计算，只不过目前结构模型能考虑的载荷只有温度与压力，其他物理场的影响最终反应在温度与压力上，并加载到固体表面上去进而影响到结构的应力与变形。

目前在Fluent中采用内置耦合的方式进行流固热耦合计算，存在的问题主要包括：

• 受制于Structural模型的功能。目前仅能处理弹性材料以及几何非线性问题，对于更复杂的非线性材料、接触问题无法解决。
• Structural模型的形函数只有一阶线性，精度比不过常规的有限元软件中的高阶单元。而且Structural模型也不太可能采用高阶单元，否则与流体区域传递数据时会带来新的麻烦。
• 结构变形对流场的影响需要使用动网格方法。模型调试及计算精度控制较为麻烦。