ADINA和流固耦合（FSI）ADINAFSI是如何

ADINA和流固耦合（FSI）ADINA独具的流固耦合求解功能可以在单一系统ADINA中模拟流体和因大变形、非弹性、接触及温度而经历明显的非线性响应的结构之间完全耦合的物理现象。一个完全耦合的流固耦合模型意味着结构的变形影响流体区域，反过来流体的作用力也会施加到结构上。从流体的角度看，Navier-Stokes流体可以是不可压的，轻微可压的，低速和高速可压的。从结构的角度看，各种结构单元类型都可以参与FSI过程（即壳单元，2D和3D结构单元，梁单元，等参梁单元，接触面等），支持各种材料模型、支持各种非线性物理过程如材料失效、单元生死、结构失稳、相变等等。此外，ADINA还提供了针对流体是势流理论的完全耦合的流固耦合模型。但由于势流体计算理论相对简单，不是本文主要讨论的内容。ADINAFSI是如何工作的？ADINA在一个单一系统中组合了结构和流体动力学方程，获得这个系统的统一方程组，并对其进行求解。对流体模型可以选择基于节点的FCBI（Flow-Condition-BasedInterpolation）算法和基于单元的FCBI-C算法进行单元的定义。•FCBI单元算法：基于速度自由度的FCBI算法是用来提供稳定性的。有限元方程可以通过Newton-Raphson迭代计算一致的Jacobian矩阵来进行求解。因此流固耦合系统中能建立一致的刚度阵可以解决极为复杂的非线性问题。•FCBI-C单元算法：所有的解变量定义在单元的中心，速度和压力间的耦合是迭代地处理的。因此在使用FCBI-C单元算法的FSI分析中，结构模型和流体模型之间的耦合也是迭代地处理的。这种算法可以用来解决很大计算规模的实际问题。这些算法可以适用于从低雷诺数到高雷诺数的各种流体。一旦计算区域的任何一部分发生变形，对流体的Eulerian描述就不再可用了。因此，ADINA求解流体的控制方程使用Arbitrary-Lagrangian-Eulerian(ALE)表示。ADINAFSI是独特的，因为它提供两种不同的方法，直接FSI耦合和迭代FSI耦合，来求解流体模型和结构模型之间的耦合。两种情况下，在流固耦合界面上都要满足位移一致性和作用力平衡条件:位移一致性：fs=dd作用力平衡：fs=ff这里d和f分别表示位移和作用力，下标f和分别代表流体和结构。s直接FSI耦合在直接FSI耦合求解的办法中，流体方程和结构方程是组合起来在一个方程组（一个刚度阵）中处理的，线性化和求解使用Newton-Raphson迭代算法。直接FSI耦合为求解复杂的FSI问题提供了强有力的算法，例如，物理现象中的结构很“软”在轻微的压力下引起很大的变形或高可压缩性流体冲击到结构的表面等非常复杂的问题，仍可由这种直接耦合的FSI方式进行求解，而这些高频、复杂的问题用迭代耦合的方法很可能会出现困难。迭代FSI耦合流体方程和结构方程是分别连续求解的，各自更新得到的信息提供给另一部分进行使用。迭代的方法比直接计算占用的内存要小，因此可以用来求解大规模问题。ADINA流固耦合的特点（或进行流固耦合分析必不可少的条件）：1．FCBI单元提供了最大的稳定性，且适用于从低雷诺数导高雷诺数的各种问题。2．FSI分析可以用于各种流体，包括不可压流，轻微可压流，低速可压流和高速可压流。另外，所有的流体材料模型包括非牛顿流体，湍流模型和VOF法都可以用在FSI分析中。3．势流体单元可以用于声波的分析，也可以用于结构和声波的耦合分析4．ADINA允许流体模型和结构模型使用任意的网格。而且，流体和结构的网格在流固耦合界面上不必完全匹配。5．热和多孔介质的耦合可以用在流体和结构模型之间。6．所有的结构单元，接触和结构材料模型（如弹性，粘弹性，橡胶，塑料等）都可以用于FSI求解。7．在流体模型中可以表示间隙边界条件，Gap边界条件。8．FSI可以使用移动网格来分析旋转设备和涡轮机械。9．可以做单向流固耦合分析。这种分析用于结构的变形很小，对流体的影响可以忽略的工程问题中，不需要在流体和结构模型之间迭代。10．全三维流场的动网格技术，包括参数化动网格和FullAdaptive网格重划分技术。分析案例1、直接和迭代的FSI耦合往复式压缩机是可以用直接FSI耦合有效解决的典型2D问题。这是因为直接耦合的求解时间比迭代耦合至少快一倍。然而，3D问题通常很大，考虑到内存和速度，使用迭代耦合更有效。下面显示的是2D和3D的求解结果。2、结构、流体、温度多场耦合实例下面的图片显示的是在一个单一模型中的多物理场耦合计算实例。这个例子对流体流过两个很薄的可变形的结构障碍物的瞬态分析，下面是几何示意图。下边的障碍物是多孔介质。流体在入口处有法向作用力荷载。入口处的顶部和底部壁面上给定温度，在流体入口处沿一条直线给定质量集中。附件的动画中可以清楚地看到由于流体流动而引起的障碍物变形，及通过多孔介质障碍物引起的不对称流动和质量集中。3、FSI分析破裂管道这里给出的是核电站利用ADINA演示的一个3D完全耦合的FSI模型。下面的图片描述的是核反应堆中通有沸水的主蒸汽管道破裂时的速度向量和压力的周线。下图是完整管道的示意图。流体区域是由管内和管外两部分组成的。蒸汽处理成高速可压流模型，管道处理成各向同性的弹性材料模型。管道内的初始压力是7Mpa，蒸汽温度是559K。管道外部的初始压力是0.1Mpa。管道破裂后，蒸汽流出管道，导致压力突然下降，并沿管道的两个方向迅速传播。这些结果可用来估计管道顺流和逆流方向的完整性。反应堆中压力波的传播时间也很有用。更多在