本案例演示利用Fluent + Mechanical + System Coupling实现双向流固耦合计算的一般流程。

1 案例描述

如下图所示的管道中有流体流过，计算考虑流体作用下管道的振动。

管道入口为脉动压力，其定义为：

其函数曲线如图所示。

在Fluent计算过程中，需调用UDF宏DEFINE_PROFILE定义入口条件。

#include "udf.h"
DEFINE_PROFILE(pin, t, nv)
{
   face_t f ;
   real flow_time = RP_Get_Real("flow-time");
   if (flow_time < 1.5)
   {
       begin_f_loop(f,t)
       {
           F_PROFILE(f,t,nv) = -1e5 * cos(4*3.14*flow_time)+1e5 ;
       }
       end_f_loop(f,t)
   }
   else
   {
       begin_f_loop(f,t)
       {
           F_PROFILE(f,t,nv) = 1.E2 ;
       }
       end_f_loop(f,t)
   }
}

本案例双向耦合采用下列计算流程。

2 计算模型

本案例计算模型如下图所示。

固体计算采用三维实体单元。如下图所示。

流体域几何如下图所示。

在SCDM中，模型树结构如下图所示。

注：本案例的固体部分也可以使用壳单元计算，在指定流固耦合面时需要注意壳体的方向。

3 Fluent求解设置

3.1 划分流体网格

• 双击A3单元格进入Mesh模块

• 右键选择模型树节点Geometry > Surface，点击弹出菜单项Suppress Body去除曲面

• 选中模型树节点FFFSolid，点击键盘F2键，修改节点名称为fluid

• 右键选择模型树节点Mesh，点击菜单Insert → Method插入网格方法

• 属性窗口中设置网格方法为Sweep，并选择圆面为源面，设置Sweep Num Divs为100

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

• 属性窗口中指定Geometry为三维几何体，设定其Element Size为1.0 mm

• 右键选择模型树节点Mesh，点击菜单项Generate Mesh生成网格，最终形成网格如下图所示

• 为边界命名如下图所示，注意耦合面必须命名

• 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

3.2 Fluent设置

• 双击A4单元格进入Fluent

• 双击模型树节点General，右侧面板设置Time为Transient采用瞬态计算

注：双向耦合问题通常采用瞬态计算。

• 鼠标右键选择模型树节点Models > Viscous，点击弹出菜单项Model → Realizable k-epsilon选择湍流模型

• 从材料库中添加water-liquid，属性参数采用默认设置，添加完毕后模型树如下图所示

• 鼠标双击模型树节点Cell Zone Conditions > fluid，弹出对话框中选择Material Name为water-liquid

• 鼠标右键选择模型树节点User Defined Functions，点击弹出菜单项Interpreted…打开UDF解释对话框

• 在UDF解释对话框中加载源文件pin.c，点击按钮Interpret解释UDF

• 鼠标右键选择模型树节点Boundary Conditions > inlet，在弹出的边界条件设置对话框中设置Gauge Total Pressure为udf pin，如下图所示

• 鼠标双击模型树节点Dynamic Mesh，右侧面板激活选项Dynamic Mesh及Smoothing及Remeshing，如下图所示，点击Settings…按钮弹出设置对话框

• 弹出对话框中进入Smoothing标签页，设置Method为Diffusion，设置Diffusion Parameter为1.5

注：扩散系数可取值0~2，一般情况下取1.5比较合适

• 切换至Remeshing标签页，如下图所示设置网格参数，点击OK按钮关闭对话框

注：这里最简单的做法是点击对话框中按钮User Defaults自动填入合适的网格参数

• 鼠标双击模型树节点Dynamic Mesh，右侧面板点击按钮Dynamic Mesh Zones，如下图所示设置Zone Name为wall，设置Type为System Coupling，设置Mesh Options标签页下参数Cell Height为0.002 m，点击按钮Create创建动网格区域，点击按钮Close关闭对话框

• 鼠标右键选择模型树节点Initialization，点击弹出菜单项Initialize进行初始化

• 鼠标双击模型树节点AutoSave…，弹出对话框中设置Save Data File Every为10

• 鼠标双击模型树节点Run Calculation，右侧面板中设置Time Step Size为1 s，其他参数保持默认设置

注：这里的时间步长和时间步数随便设置即可，但不能为零。真实的计算时间步长和时间步数在SC中设置。

• 关闭Fluent，返回至Workbench面板

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道