本文演示单向流固耦合问题求解的基本流程。

前方多图预警！！建议在WIFI环境下阅读。流量帝投来鄙视的眼神~

1 问题描述

计算如下图所示位于高速流体中的探头在流场作用下的应力分布。流体流速100 m/s。

2 计算流程

考虑到探头的变形量很小，忽略探头变形对流场的影响，采用单向流固耦合计算。

计算流程如下图所示。

注：单向流固耦合常用于固体小变形对于流场影响可以忽略的情况下。

3 几何模型

流固耦合计算中的几何模型需要创建两套几何：流体几何与固体几何。

应用上面的计算流程，在A2单元格中同时创建流体几何与固体几何，然后在流体和固体各自的Mesh模块中抑制相应的几何模型。

探头实体模型如下图所示。

考虑模型对称性，采用一半模型计算。

流体域计算模型如下图所示。

4 流体计算设置

4.1 流体网格生成

• 双击A3单元格进入Mesh模块

• 右键点击模型树节点Geometry > FFFsolid，点击弹出菜单项Suppress Body去除固体部分

• 鼠标选中模型树节点Mesh，图形窗口中选择如下图所示的几何面，点击右键选择弹出菜单项Insert → Sizing插入网格尺寸

• 属性窗口中设置Element Size为0.5 mm

• 鼠标选中模型树节点Mesh，图形窗口中选择如下图所示的几何体，点击右键选择弹出菜单项Insert → Sizing插入网格尺寸

• 属性窗口中设置Element Size为1 mm

注：面尺寸优先级高于体尺寸，所以前面指定的面依然以0.5mm作为网格尺寸

• 右键选择模型树节点Mesh，点击弹出菜单项Insert → Inflation插入膨胀层

• 选择流固交界面作为边界层网格生成表面

生成计算网格如下图所示。

• 边界命名如下图所示

注：切记为流固耦合面命名，这里将其命名为walls

• 选择模型树节点Mesh，点击工具栏按钮Update更新网格

• 关闭Mesh模块返回至Workbench窗口中

4.2 Fluent设置

• 双击模型树节点A4启动Fluent

• 激活选项Double Precision开启双精度模式

注：Fluent的设置较为简单，这里只描述重要节点内容

• General节点保持默认设置

• Models节点选择Realizable k-epsilon湍流模型

• Materials材料选择材料库中的Water-liquid，材料属性采用默认值

• Cell Zone Conditions设置计算区域材料介质为water-liquid

• Boundary Conditions设置边界inlet入口速度为100 m/s，其他参数保持默认设置

• Initialization：如下图所示进行初始化

• Run Calculation：设置Number of Iterations为300，开始计算

计算完毕后查看流固交界面上压力分布，如下图所示。

• 关闭Fluent，返回至Workbench工程面板

5 Mechanical设置

• 鼠标双击B4单元格进入Mechanical模块

注：这里采用默认材料，若需要修改材料，可双击B2单元格编辑材料属性

5.1 网格生成

• 鼠标右键选择模型树节点Geometry > Enclosure，点击弹出菜单项Suppress Body去除流体几何

• 右键选择模型树节点Model，点击弹出菜单项Insert → Symmetry插入对称

• 右键选择模型树节点Symmetry，点击弹出菜单项Insert → Symmetry Region

• 如下图所示，属性窗口中设置Geometry为图示的对称面，设置Symmetry Normal为Y Axis

注：若不设置对称的话，也可以在后面为对称面添加对称约束

• 右键选择模型树节点Mesh，点击弹出菜单项Insert Sizing插入尺寸

• 选择几何体，设置Element Size为0.5 mm

注：划分网格时，尽量使得交界面上网格尺寸与对应位置的流体网格尺寸接近

• 右键选择节点Mesh，点击弹出菜单项Generate Mesh生成网格

生成网格如下图所示。

5.2 仿真设置

• 右键选择模型树节点Static Structural，点击弹出菜单项Insert → Fixed Support插入固定约束

• 属性窗口中选择下图所示的面，将其作为固定约束面

• 右键选择模型树节点Imported Load，点击弹出菜单项Insert → Pressure插入压力

• 如下图所示，Geometry选项中选择与流体几何相接触的11个面，设置CFD Surface为walls

• 右键选择节点Import Pressure，点击弹出菜单项Import Load导入压力

• 图形窗口中显示导入的压力结果，如下图所示

注：导入的压力数据会映射到网格上，若流体网格与固体网格尺寸差异很大的话，会造成较大的插值误差。

• 右键选择节点Solution，点击菜单项Solve求解计算

• 如下图所示，插入位移、等效应力、等效弹性应变等节点

• 右键选择节点Solution，点击菜单项Evaluate All Results更新后处理数据

• 应力分布

计算得到的应力值有点儿大，几何是随便画的。

6 总结

单向流固耦合计算通常情况下先计算流体流场分布，之后在固体结构计算时，将流体压力数据作为载荷导入到相对应的固体表面上，之后计算固体结构应力应变。

在计算过程中需要注意：尽可能保证流体与固体交界面上网格节点一致，若做不到一致的话，尽可能的保证网格尺寸相近。

单向耦合较为简单，下次来个双向耦合练练手~

文件在这里（ANSYS19.2版本）：

https://pan.baidu.com/s/1Ksiadr3vKfEtnHiMai46HQ

提取码：vhya

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本篇文章来源于微信公众号: CFD之道