【《流固耦合计算流程》2000字】

--流固耦合计算流程流固耦合问题根据耦合形式的不同可以分为两类。第一类问题的特征是流体区域和固体区域全部重叠或部分重叠在一起，难以明显地分开，需要针对具体的物理现象建立本构方程，如渗流问题。第二类问题的特征是耦合作用仅仅发生在两相交界表面处，在方程上的耦合是通过交界处边界条件的平衡和协调关系引入的，如图1.1。整个仿真区域Ω包含两个子区域，即流场ΩF及其边界ΓF和固场ΩS及其边界ΓS。显然，Ω=ΩF+ΩS。子区域之间存在一个公共边界Γ，定义为Γ=ΩF∩ΩS，并且ΓΓF，ΓΓS，称为流固耦合交界面。本文研究的水平轴潮流能水轮机流固耦合问题属于第二类。图1.1表面流固耦合问题几何区域定义Figure1.1Definitionofgeometricregionforsurfacefluid–solidinteractionproblem求解这第二类流固耦合问题的数值方法可大致归为两种：整体求解法ADDINNE.Ref.{54C15CA1-61D8-491E-39B}[129-132]和分区求解法ADDINNE.Ref.{2EAD7603-D24C-4BB4-A318-5E4C7DFCECAF}[133-135]。整体求解法是通过改写流体方程和固体方程，将其放在同一方程组中，采用统一算法同时进行求解，流体和固体交界面的状态信息隐含在求解过程中ADDINNE.Ref.{C869C7D3-774B-48F7-B1B8-73108C0765BF}[136]。这种方法对于多学科交叉问题能够取得较好的计算精度，但是需要更多的计算资源，适用于求解梁、板、壳等一些简单结构ADDINNE.Ref.{D2B253D4-7AAE-4FA4-BC79-39E3AAD8B7F7}[137-140]。分区求解法是将流体方程和固体方程交替进行求解，每一个物理场计算得到的交界面信息代入另一个物理场继续计算ADDINNE.Ref.{3A39C91E-B6C5-4A17-B505-5D6A951A089C}[141,142]。与整体求解法相比，分区求解法中物理场计算之间相对独立，每一时刻计算方程数量少，耦合作用体现于每次迭代时交界面的信息传递ADDINNE.Ref.{4DA5E08A-64BF-4C86-92E7-34A0923395DD}[143,144]。分区求解法的优势在于既能考虑到流场和固场离散化方法的差异，又能充分利用现有成熟的计算流体力学和计算固体力学程序，灵活选择不同的求解器，因此广泛应用于大型复杂的工程问题ADDINNE.Ref.{985D6F7C-FA88-4470-B6BF-DB9C4ECCAE01}[145,146]。潮流能水轮机结构复杂，所用网格数量多，模拟时间长，因此选择采用分区求解法。从数据传递方向出发，分区求解法进一步可划分为单向流固耦合和双向流固耦合。单向流固耦合是指耦合交界面上的数据传递是单向的，通常将流场计算得到的交界面荷载传递到固体结构分析，但没有固场计算结果返回给流场的过程。也就是说，只考虑流体分析对固体分析的影响，而结构变形对流体影响小至可以忽略不计。例如，旋转机械的结构强度分析。另外，研究已知运动轨迹的刚体对流场的影响，在某种程度上也可以看作是一种单向流固耦合问题。例如快速启闭阀门对流体运动的瞬时影响分析。由于固体的运动已知，且看作为刚体，变形忽略不计，所以此类问题通常可以通过自定义函数（UserDefinedFunctions，简称UDF）的方式单独在CFD求解器中完成。双向流固耦合是指耦合交界面上的数据传递是双向的，也就是，每个物理场在每次迭代计算初都接收并更新另一物理场在上次迭代完成后传递而来的交界面物理量，并且在迭代收敛后将新的物理量传递给另一物理场用作下次迭代。由于求解有限体积法离散方程和有限元法离散方程所采用的时间积分不同，为了避免流场计算和固场计算存在时间上的滞后，提高数值计算的精度和稳定性，在一个时间步内，耦合交界面需要进行多次数据交换，各物理场进行多次迭代计算，直到流场、固场和交界面信息均满足精度要求后，才可以同时进入下一个时间步的计算。对大多数耦合作用现象，如果只考虑静态结构性能，采用单向耦合分析足以。但如果要考虑振动等动力学特性，双向耦合分析必不可少。因为，双向耦合分析主要是为了解决振动和大变形问题而进行的。例如潮流能水轮机在流场中的静态结构分析属于单向耦合分析，而要是考虑叶片在流场中的振动情况，就需要用到双向耦合方法进行分析。图1.2给出了本文研究所采用的双向流固耦合计算基本流程。在每次耦合子迭代循环中先计算流场再计算固场。单向流固耦合计算时，如果只考虑流体对固体的影响，则取消更新耦合边界位移这一步骤；如果只考虑固体对流体的影响，可以取消更新耦合边界荷载这一步骤，也可以如之前所述，单独在CFD求解器内完成计算。图1.2双向流固耦合计算基本流程Figure1.2Basicflowdiagramoftwo-wayfluid–solidinteractioncalculation从计算流程图可以看出，本文的流固耦合方法是一个典型的Dirichlet–Neumann分区求解方法。其特征为流体方程是在流固耦合交界面的位移确定后再求解，而固体方程是在交界面荷载确定后再求解。例如，在第n个时间步的第1个耦合子迭代循环开始时，流场依据上一个时间步得到的耦合交界面位移，dnΓF,1=df（1.1）在固场更新了耦合交界面荷载