本文介紹如何在Fluent中對單向和雙向流固耦合(FSI)進行建模和仿真計算。由于所有的流體與結構計算都是由Fluent完成的，因此這種流固耦合又被稱為“內置流固耦合”。在ANSYS系統中，流固耦合計算還可以使用System Coupling模塊及Mechanical模塊配合Fluent來實現。

1 模型介紹及局限性

Fluent內置的流固耦合(FSI)功能允許完全模擬單向或雙向的FSI問題。單向流固耦合問題假設只有流體側會通過作用在結構上的流體壓力對固體側產生影響。由于沒有來自固體側的反饋信息，單向FSI模擬可以同時計算流體流動和結構變形，也可以在流體模擬完成后單獨計算固體側結構應力。但如果固體區域的變形對流體流場有較大影響，則必須通過在流體域中啟用動網格而將其考慮為雙向流固耦合。

結構方程求解存在以下局限性：

• 結構模型僅支持以下網格類型：2D模型中只支持四邊形網格和/或三角形網格；3D模型中只支持六面體網格、四面體網格、楔形網格和/或金字塔網格類型。注意固體結構計算模型中不支持多面體網格。
• FSI模型初始化和/或啟動后，不允許替換網格。因為網格將被分割，并且在有限元分析的情況下不支持后續的數據遷移。但是允許重新劃分流體區域，因為這不會影響固體區域的劃分。
• 流體與固體區域必須采用一致網格(共節點網格)，且計算區域被雙側壁面分開(即壁面與影子面)
• 計算區域中至少應該包含1個固體區域才能激活結構計算模型
• 不支持以下動網格選項：In-Cylinder、Six DOF、Contact Detection
• Intrinsic FSI類型只能在Dynamic Mesh Zones對話框中選擇雙側壁面中鄰接流體域的那一側壁面
• 對于與固體區域相鄰的壁面或介于固體和流體區域之間的壁面：
  • 唯一支持位移和力的UDF宏為DEFINE_WALL_node_DISP和DEFINE_WALL_node_force。所有其他邊界Profile文件或UDF(如DEFINE_PROFILE)將出錯
  • 不支持Shell Conduction
• 結構模型與以下模型不兼容
  • 2D軸對稱或軸對稱模型
  • 網格自適應
  • 重疊網格
  • 網格morpher/optimizer
  • 英制或厘米-克-秒(CGS)單位
  • FMG初始化
  • 自適應時間步長
• 結構模型不能在Workbench中的Fluent模塊里啟用
• 線彈性結構模型只適用于應力載荷不超過固體材料屈服強度的情況

2 設置FSI模擬

設置內置FSI模擬的步驟如下所述。注意這里只列出與結構模型相關的步驟。用戶還需要像往常一樣定義其他設置(例如其他材質屬性、邊界條件、其他模型)。

注：在內置FSI模擬中，建議使用Double Precision求解器。

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基本使用步驟包括：

選擇模型樹節點General，在參數面板中設置計算為穩態或瞬態，并且根據模型需要決定是否指定重力加速度

選擇模型樹節點Cell Zone Conditions指定固體區域參數

對于雙向FSI問題，建議先獲得流體的穩態收斂解，然后繼續執行下面步驟來設置和運行結構模型

利用模型樹節點Models → Structure打開結構模型設置對話框，在其中選擇使用Linear Elasticity或Nonlinear Elasticity選項。線彈性模型在計算過程中結構剛度矩陣保持不變，內部載荷與節點位移成線性關系。非線性彈性模型允許對幾何非線性彈性進行建模，以便模擬實體單元區域中的大變形。

進入模型樹節點Materials，設置固體材料參數Youngs Modulus及Poisson Ratio

如果想要利用UDF定義作用在固體區域壁面節點上的位移或力，可以使用解釋或編譯的方式加載宏DEFINE_WALL_node_DISP或DEFINE_WALL_node_FORCE

對于每個固體區域壁面，在邊界條件設置對話框的Structure標簽頁下設置邊界條件

Fluent中提供了4種類型的結構邊界條件：

• Stress Free。指定固體位移不受流體流動應力載荷的影響。

• Node X-、Node Y-及Node Z-Force。指定固體位移由作用在節點上指定的力產生的。

• Node X-、Node Y-及Node Z-Displacement。直接指定作用在固體節點上的位移。

• Face Pressure。在固體壁面上指定面壓力。

• Intrinsic FSI。指定壁面位移是由流體流動的壓力載荷引起的，只能作用在固體域雙側面上。

在典型的Fluent模擬中，對稱邊界條件作用于固體區域的壁面邊界。但是在內置的FSI模擬中，此時應該使用壁面邊界，然后適當地設置Structure選項卡。例如當對稱平面為XY平面時，應將x和y方向位移指定為Stress Free，然后將z方向位移指定為0

對于雙向FSI模擬，需要定義動網格屬性以允許處理固體的變形區域。包括以下內容：

• 激活動網格Smoothing，且選擇使用Diffusion或Linearly Elastic Solid
• 對于涉及到強FSI的問題(如流體與固體密度相當或大變形時)，在Dynamic Mesh任務頁中啟用Implicit Update選項，并在Option對話框的Implicit Update選項卡中定義適當的參數
• 為雙側壁面緊鄰流體單元區域的一側定義Intrinsic FSI動網格區域

對于瞬態模擬，可以從Solution Methods任務頁的Structure Transient Formulation下拉列表中進行選擇Newmark或Backward Euler以指定用于求解有限元半離散方程的直接時間積分法如果發現默認值不能產生令人滿意的結果，可以修改以下設置：

• 可以指定線性解算器用于結構模型計算的解算方法。默認情況下使用雙共軛梯度穩定(BCGSTAB)方法。這個方法在速度和健壯性之間取得了很好的平衡。如果使用BCGSTAB檢測到發散，則可以使用廣義最小殘差(GMRES)方法進行迭代作為回退以增強線性解算器的魯棒性，并且控制臺將通知“fe-structure”方程正在穩定。如果發現殘差等級下降緩慢，可以嘗試使用以下文本命令從默認值500增加最大內部迭代次數：define → models → structure → controls → max-iter
• 如果BCGSTAB方法在內部迭代次數較多的情況下繼續產生不滿意的殘差，或者反復看到控制臺消息說正在使用GMRES回退，則可以將求解方法更改為GMRES方法。但GMRES的使用對內存的要求也更高。使用GMRES方法建議從最大迭代次數50開始。共軛梯度法(CG)也是可行的：雖然在某些情況下，它是最不穩健的方法，但由于其利用了線性系統中使用的矩陣的對稱性，因此可以加快計算速度方程式。若想要更改求解方法，可以使用以下文本命令define → models → structure → controls → amg-stabilization
• 對于瞬態模擬，可以使用以下文本命令修改結構模型計算的數值阻尼因子：define → models → structure → controls → numerical-damping-factor?
• 可以使用以下文本命令啟用顯式流體結構相互作用力：define → models → structure → expert → explicit-fsi-force?
• 可以使用以下文本命令將曹勇壓力包含到流體結構相互作用力中：define → models → structure → expert → include-pop-in-fsi-force?
• 可以使用以下文本命令啟用包含粘性流體結構相互作用力：define → models → structure → expert → include-viscous-fsi-force?

若有必要，利用Solution → Monitors → Residual Edit..修改x-、y-及z-displacement 的默認殘差標準(可選)利用Results → Surfaces New → Structural Point... 在固體分區內的感興趣點處創建結構點曲面用于監視和報告數據。注意對于雙向FSI模擬，結構點曲面不一定在空間中保持固定，但隨著實體區域的移動/變形，結構點曲面將繼續表示其原始單元。若要在此類結構點曲面上監視場變量，可以創建報表定義。例如可以利用Solution → Report Definitions New → Surface Report → Vertex Average... 監視并繪制圍繞結構點曲面的節點位移的頂點平均值：初始化求解。注意對于標準初始化，可以指定初始X、Y和Z位移。為了保證結構模型文件的質量，在啟用結構模型的情況下，在寫入cas及dat文件時只支持通用流體格式(CFF)(可選)對于雙向FSI模擬，設置求解動畫利用Solution → ?Run Calculation求解計算。對于單向耦合計算，可以先計算流場，之后禁用流場計算再進行結構場計算。不管是單向耦合還是雙向耦合，都建議先計算穩態結構再切換到瞬態計算，這樣可以避免出現計算發散計算后處理

總結

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