本文原刊登于Ansys Blog：《How Fluid-Structure Interaction Works and Why it’s Important》

作者：Marisa Melchiorre | Ansys產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理

Steve Defibaugh | Ansys產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理

1940年7月，塔科馬海峽大橋（Tacoma Narrows Bridge）在華盛頓州西雅圖的南部建成。該橋梁橫跨吉格港與塔科馬兩地，是當(dāng)時(shí)美國(guó)第三長(zhǎng)的懸索橋。根據(jù)彈性分布設(shè)計(jì)，中等級(jí)別的風(fēng)力會(huì)讓這座海峽大橋有幾英尺的起伏。然而，大橋的形狀迫使空氣在其結(jié)構(gòu)上方和下方流動(dòng)，導(dǎo)致流動(dòng)分離和渦旋脫落。

1940年11月7日，強(qiáng)風(fēng)引起橋體顫振，使橋主梁發(fā)生變形，導(dǎo)致大橋坍塌，設(shè)計(jì)中的空氣動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性引發(fā)了災(zāi)難。而如果在橋梁設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮到流固耦合，則可以添加開放式桁架來支撐橋面，同時(shí)使風(fēng)順利地通過。

什么是流固耦合？

流固耦合（FSI）是流體流動(dòng)與固體結(jié)構(gòu)的相互作用。想象一下讓渦輪葉片旋轉(zhuǎn)起來的一陣風(fēng)、在波浪中行駛的船體或急速掠過F1賽車前擾流板的氣流。只要流體和結(jié)構(gòu)相遇，就會(huì)發(fā)生流固耦合 (FSI)。

同時(shí)使用Ansys Fluent與Ansys Mechanical，可以仿真流固耦合，比如這面在風(fēng)中飛舞的Ansys旗幟

FSI如何影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能？

了解FSI對(duì)于許多產(chǎn)品的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。如果不考慮流體與固體之間的相互影響，則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品性能估計(jì)不準(zhǔn)確。這樣，最終的產(chǎn)品設(shè)計(jì)可能會(huì)導(dǎo)致意料之外的結(jié)果，包括惱人的噪聲和產(chǎn)品完全失效。

無論是設(shè)計(jì)橋梁、飛機(jī)還是燃?xì)廨啓C(jī)，了解流固耦合如何影響您的項(xiàng)目至關(guān)重要，您需要一款能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和集成這兩種行為的解決方案。

FSI的應(yīng)用

飛機(jī)設(shè)計(jì)：當(dāng)飛機(jī)飛行時(shí)，機(jī)翼周圍的氣流會(huì)導(dǎo)致機(jī)翼發(fā)生變形（這反過來又會(huì)改變空氣流動(dòng)的方式，使機(jī)翼發(fā)生更嚴(yán)重的變形）。解決機(jī)翼設(shè)計(jì)中的FSI問題可顯著提高飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)性能。

血流建模：為了評(píng)估動(dòng)脈瘤中血管堵塞的影響，F(xiàn)SI可說明血壓和流速如何影響血管的收縮擴(kuò)張能力和粗細(xì)變化。

聲音預(yù)測(cè)：當(dāng)氣流經(jīng)過汽車時(shí)，引擎蓋和后視鏡等表面會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)并將聲音輻射到車內(nèi)。通過解決這些FSI問題，工程師可調(diào)整設(shè)計(jì)，以降低噪聲并提高乘客舒適度。

多物理場(chǎng)仿真在FSI中的作用

在FSI影響到產(chǎn)品之前，您就可以通過多物理場(chǎng)仿真進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)防。

例如，如果您想了解湍流和壓力變化如何影響水輪機(jī)的完整性，您的分析離不開Ansys Fluent和Ansys Mechanical仿真提供的數(shù)據(jù)。但是單獨(dú)使用這些仿真，會(huì)發(fā)生難觀全局的情況，只會(huì)表現(xiàn)局部的情況。不過，當(dāng)他們通過Ansys Workbench進(jìn)行集成時(shí)，您將能夠最準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)這兩種物理場(chǎng)會(huì)如何相互影響。

Workbench不僅可在仿真求解器之間自動(dòng)交換數(shù)據(jù)，為您提供無縫的工作空間，而且還包含高級(jí)網(wǎng)格映射技術(shù)，可確保從計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）到有限元分析（FEA）之間的精確數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，無需手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)、編寫代碼或交換數(shù)據(jù)文件。更少的手動(dòng)輸入可顯著減少錯(cuò)誤，因?yàn)楫?dāng)您設(shè)置了CFD和FEA仿真后，只需拖放操作即可將所有內(nèi)容都傳輸?shù)酵豢臻g中。

您需要執(zhí)行單向還是雙向FSI仿真？

建模方法因流體和固體之間的物理耦合程度以及所需的保真度而異。對(duì)于涉及剛體運(yùn)和共軛傳熱的應(yīng)用，可以忽略變形情況，并且完全在CFD求解器中高效解決該問題。

當(dāng)必須考慮應(yīng)力和變形問題時(shí)，流體和結(jié)構(gòu)仿真可進(jìn)行耦合，以便在求解器之間傳輸數(shù)據(jù)，用于單向或雙向耦合仿真。

如何執(zhí)行單向FSI仿真

通過直接鏈接CFD和FEA仿真，可在Workbench中輕松執(zhí)行單向仿真。具體操作方法是，只需簡(jiǎn)單的拖放任務(wù)，即可自動(dòng)連接仿真的幾何結(jié)構(gòu)和求解單元。

如何執(zhí)行雙向FSI仿真

通過將CFD和FEA仿真與系統(tǒng)耦合鏈接，可執(zhí)行雙向仿真。本視頻介紹了如何在Fluent中創(chuàng)建單向仿真，并通過Workbench的Mechanical轉(zhuǎn)換為雙向仿真的過程。Workbench可創(chuàng)建簡(jiǎn)單直接的協(xié)同仿真，使得雙向數(shù)據(jù)交換成為可能。

使用FSI進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)防

FSI仿真通過預(yù)測(cè)流體流動(dòng)和固體結(jié)構(gòu)之間的相互作用，幫助工程師避免可能影響性能并導(dǎo)致產(chǎn)品故障的危害。

審核編輯：湯梓紅