流-固耦合

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流-固耦合定义

流-固耦合(FSI)是分别描述流体动力学和结构力学的定律之间的多物理场耦合。这种现象的特点是变形结构或运动结构与周围或内部的流体流动之间的相互作用,这种相互作用既可以是稳定的,也可以是振荡的。

当流动的流体与固体结构接触时,固体会受到应力和应变作用,这些力会使结构产生变形。变形的大小取决于流体的压力、流速以及实际结构的材料属性等。

显示流体流动的振动梁模型。

模型描述结构中的速度场和 von Mises 应力

模型描述结构中的速度场和 von Mises 应力

如果结构的变形非常小,并且随时间的变化也相对缓慢,流体的行为不会受到变形的影响,此时我们只需考虑固体部分受到的应力。但如果变形随时间的变化非常快(每秒超过若干周期),那么,即使是小结构变形也会在流体中产生压力波,这些压力波会使振动结构产生声辐射。这类问题可以归结为声-结构相互作用,而不是流-固耦合。

然而,如果结构发生大变形,流体的速度和压力场就会因此发生改变,此时我们需要将其作为双向耦合问题进行多物理场分析:流体流动和压力场会影响结构变形,而结构变形又反过来影响流体的流动和压力。

在设计和建模中考虑流-固耦合

在设计过程中,人们有时希望利用流-固耦合产生的显著效应,有时又希望避免其带来的负面影响。

举例来说,蠕动泵等设备就是利用明显的结构变形,在不破坏活细胞的情况下,实现轻缓泵血。这种泵由柔性管和刚性滚轮组合而成,设计人员必须考虑流体速度、流体中的剪切速率以及管中的应力和变形。(请阅读以下论文,查看蠕动泵流-固耦合分析示例:“蠕动泵流-固耦合分析”)。

另一方面,工业搅拌机尽管具有运动部件,但其中的搅拌桨基本上可以看作是搅动流体的刚性部件。在分析这类系统时,混合效率是需要计算的最重要的一个量。设计人员可以根据需要来计算搅拌器中的应力。在计算固体材料中的应力时,甚至可以将固体结构看作完全静止的障碍物,阻碍流体的流动。

在对此类系统进行建模时,我们可以从多种适用的建模方法中进行选择。我们可能需要模拟分别描述流体流动和固体变形的纳维-斯托克斯方程和固体力学方程。对于不同的流态,可以通过不同的形式来求解纳维-斯托克斯方程。为润滑膜建模时,我们甚至可以将流动模型简化为一个薄膜。这些结构既可以看作是刚性的,产生的变形非常小,在流体流动问题中忽略不计;也可以看作是发生了大变形,对流体流动造成严重影响。

扭转产生的位移。

扭转作用导致微镜发生位移

扭转作用导致微镜发生位移

裸眼分支井的弹性变形。

突出显示弹性变形的模型。

突出显示弹性变形的模型。

针对具体的情况对各种建模方法进行恰当的组合,是求解流-固耦合问题的关键。

发布日期:2015 年 6 月 1 日
上次修改日期:2017 年 2 月 21 日