流固耦合FluidStructureInteraction

FluidStructureInteraction-FSI刘文东©2015CD-adapco,AllRightsReserved.流体力学的研究对象–牛顿流体或者非牛顿流体–气体(空气)、液体(水或者金属溶液)或者混合物–范畴：小到液滴，大到海洋结构力学的研究对象–刚性体或者柔性体–弹性变形或者塑性变形–复杂的装配体或者单个零部件–范畴：大到船舶，小到颗粒相互作用–传递热量–传递动量、力什么是FSI?©2015CD-adapco,AllRightsReserved.并没有一个简单的单一途径来解决所有的FSI问题–在统一的CAE工具下完成FSI–通过Co-simulation完成不同CAE工具之间的FSI技术挑战：–数据映射技术•寻找临近单元并插值–数据交换的格式和协议•不同物理场求解器间的数据交换–耦合的方法•精确、稳定的算法–流体域网格的变形•流体域的拓扑结构发生变化–FSI结果验证FSI问题的挑战3©2015CD-adapco,AllRightsReserved.能源•WindTurbineBlades•RiserVortexInducedVibration生命科学•BloodCirculatory•Pulmonary•Pharma电子•ChipWarpage建筑•MembraneStructures•Bridges•TallBuildings航空•WingFlutter•WaterLanding•ControlSurfaces透平机械•BladeCooling•Flutter汽车•UnderHood•RoofDeflector•Hydroplaning•FuelTankSloshing船舶•Sloshing•Slamming工程应用领域©2015CD-adapco,AllRightsReserved.FSI中的刚性体–结构属于刚体–结构不发生变形–不考虑结构应力FSI中的柔性体–结构会发生应力变形–需要求解结构应力、应变区分的标准：结构的变形（非刚体运动引起）对流场变化产生的影响不可忽略时，或者关心结构强度时，需要将结构件最为柔性体考虑FSI分类：©2015CD-adapco,AllRightsReserved.刚体柔性体STAR-CCM+解决FSI问题的模型FSICo-SimulationFiniteElementMappingFiniteVolumeStressDynamicFluidBodyInteractionConjugateHeatTransferDiscreteElementMethod©2015CD-adapco,AllRightsReserved.STAR-CCM+对柔性体FSI问题的解决方案FSIFVStressFV基于有限体积法的结构应力求解器•全隐式FSI算法•共形的流固交界面•更低的CPU&memory需求Co-Simulation直接与Abaqus进行耦合•支持显式、隐式算法•自动化的设置与运行•支持并行•不需要借助第三方通讯工具CAEMapping数据映射•CCM+可以导入/导出结构的模型/结果数据•壳和体的映射•灵活自动©2015CD-adapco,AllRightsReserved.FSIExamples©2015CD-adapco,AllRightsReserved.连续介质力学简介流体力学N-S方程形式的牛顿第二定律固体力学牛顿第二定律静力学(无惯性力)动力学塑性材料:弹性材料:胡克定律非牛顿流体:牛顿流体:Stokes稳态(惯性力)瞬态(与时间相关的流场)©2015CD-adapco,AllRightsReserved.连续介质计算力学(CCM)计算方法计算固体力学(CSM)计算流体力学(CFD)有限单元法(FE)•Displacement(vector)•Rotation(vector)•Temperature(scalar)•Velocity(vector)•Acceleration(vector)自由度(DOF):有限体积法(FV)自由度(DOF):•Velocity(vector)•Pressure(scalar)•Temperature(scalar)•Turbulence(modeldependent,e.g.twoscalarssuchaskandε)©2015CD-adapco,AllRightsReserved.显式算法–在两次数据交换之间（一个或者多个时间步），流体侧和固体侧的解推进是各自独立进行的。–数据交换结束后，FSI系统通常是不平衡的（交界面两侧的量不对等）–流体与固体可以使用不对等的时间步长–适用于物理场耦合较弱时隐式算法(迭代算法)–在一个时间步内，流体和固体的解耦合推进，并发生多次数据交换–收敛的时间步结束时流体和固体处于平衡状态–流体与固体的时间步长相同–比显式算法更稳定–适用于物理场耦合较强时耦合方法©2015CD-adapco,AllRightsReserved.平衡态分析(气动弹性和水力弹性)热应力问题弱耦合问题TemperatureStressFlow©2015CD-adapco,AllRightsReserved.流体与柔性体结构间的相互作用–结构变形影响到的流体质量与结构自身质量相当时非稳定系统–涡的脱落频率与结构的自身振动频率接近时强耦合问题©2015CD-adapco,AllRightsReserved.有限元模型的导入/导出:数据映射面/体数据交换基于文件-/基于协议耦合方式显式/隐式网格变形Morphing&Overset核心功能nn+1n+2CSMCFDFEMeshFVMesh©2015CD-adapco,AllRightsReserved.网格的Morphing•主要针对变形量比较小的情况动网格功能•OversetMesh•允许大的刚体运动•无需网格重构©2015CD-adapco,AllRightsReserved.工作流程固体导入数据(e.g.Pressure&Shear)固体导出数据(e.g.Displacement)固体求解导入固体模型搜索交界面临近单元(CFD&CSMmodel)数据映射(Interpolate&Integrate)流体求解流体导出数据(e.g.Pressure&Shear)映射(Interpolate)流体导入数据(e.g.Displacement)根据导入数据变形STAR-CCM+内的FSI工作流程CycleviaCo-Sim.ormacro©2015CD-adapco,AllRightsReserved.应用案例©2015CD-adapco,AllRightsReserved.测试案例-圆柱悬臂板的涡激振动（VIV)©2015CD-adapco,AllRightsReserved.可以模拟船舶在下水过程中的抨击现象–STAR-CCM+中多相流模型与Abaqus结构求解器间通过Co-simulation的耦合应用案例–落水抨击©2015CD-adapco,AllRightsReserved.海洋平台在垂荡过程中的运动和变形–STAR-CCM+多相流模型与Abaqus结构求解器间通过Co-simulation耦合，模拟海洋平台六个自由度的运动及变形应用案例–浮式平台分析流体管内流动对系统固有频率与模态的影响.管道输送流体的重要研究对象:“Fluid-StructureInteractions,SlenderStructuresandAxialFlow,Volume1”，byMichaelP.Paϊdoussis.验证FSI功能的经典案例.验证案例velocityinletpressureoutlet𝑫𝒊𝒏𝒏𝒆𝒓=𝟐𝟎𝒎𝒎L=𝟐𝒎t=𝟏𝒎𝒎𝒛,𝒘𝒙,𝑼MaterialProperties𝑴=𝝆𝑭𝒍𝒖𝒊𝒅𝑨𝑭𝒍𝒖𝒊𝒅𝑴𝒂𝒔𝒔𝒑𝒆𝒓𝒍𝒆𝒏𝒈𝒕𝒉:𝒎=𝝆𝑺𝒐𝒍𝒊𝒅𝑨𝑺𝒐𝒍𝒊𝒅𝝆𝑭𝒍𝒖𝒊𝒅=𝟏𝟎𝟎𝟎𝒌𝒈𝒎𝟑𝑫𝒆𝒏𝒔𝒊𝒕𝒚:𝝆𝑺𝒐𝒍𝒊𝒅=𝟐𝟕𝟎𝟎𝒌𝒈𝒎𝟑𝒀𝒐𝒖𝒏𝒈′𝒔𝑴𝒐𝒅𝒖𝒍𝒖𝒔:𝑬𝑺𝒐𝒍𝒊𝒅=𝟕𝟎𝑮𝑷𝒂𝑷𝒐𝒊𝒔𝒔𝒐𝒏′𝒔𝑹𝒂𝒕𝒊𝒐:𝝁𝑺𝒐𝒍𝒊𝒅=𝟎.𝟑𝟓运动方程(Ref.1)𝑬𝑰𝝏𝟒𝒘𝝏𝒙𝟒+𝑴𝑼𝟐𝝏𝟐𝒘𝝏𝒙𝟐+𝟐𝑴𝑼𝝏𝟐𝒘𝝏𝒙𝝏𝒕+𝑴+𝒎𝝏𝟐𝒘𝝏𝒕𝟐=𝟎𝝏𝟒η𝝏ξ𝟒+𝒖𝟐𝝏𝟐η𝝏ξ𝟐+𝟐𝜷𝒖𝝏𝟐η𝝏ξ𝝏𝝉+𝝏𝟐η𝝏𝝉𝟐=𝟎𝜷=𝑴𝑴+𝒎𝒖=𝑴𝑬𝑰𝟏𝟐𝑳𝑼ξ=𝒙𝑳η=𝒘𝑳𝝉=𝑬𝑰𝑴+𝒎𝒕𝑳𝟐𝒛,𝒘𝒙,𝑼𝒖=𝟎.𝟎𝟕𝟎𝟑𝒔𝒎𝑼𝜷=𝟎.𝟔𝟑𝟖𝟐无量纲形式的运动方程方程的解析解Ref.1𝑻𝒉𝒆𝒅𝒊𝒎𝒆𝒏𝒔𝒊𝒐𝒏𝒍𝒆𝒔𝒔𝒄𝒊𝒓𝒄𝒖𝒍𝒂𝒓𝒇𝒓𝒆𝒒𝒖𝒆𝒏𝒄𝒚𝝎𝒊𝒔𝒓𝒆𝒍𝒂𝒕𝒆𝒅𝒕𝒐𝒕𝒉𝒆𝒅𝒊𝒎𝒆𝒏𝒔𝒊𝒐𝒏𝒂𝒍𝒄𝒊𝒓𝒄𝒖𝒍𝒂𝒓𝒇𝒓𝒆𝒒𝒖𝒆𝒏𝒄𝒚Ω𝒃𝒚:Ω𝒕=𝝎𝝉𝝎=𝑴+𝒎𝑬𝑰𝟏𝟐𝑳𝟐Ω𝝎=𝟎.𝟏𝟕𝟓𝟗𝒔Ω𝑻𝒉𝒆𝒅𝒊𝒎𝒆𝒏𝒔𝒊𝒐𝒏𝒍𝒆𝒔𝒔𝒆𝒒𝒖𝒂𝒕𝒊𝒐𝒏𝒐𝒇𝒎𝒐𝒕𝒊𝒐𝒏𝒄𝒂𝒏𝒃𝒆𝒔𝒐𝒍𝒗𝒆𝒅𝒘𝒊𝒕𝒉𝒕𝒉𝒆𝑮𝒂𝒍𝒆𝒓𝒌𝒊𝒏𝑴𝒆𝒕𝒉𝒐𝒅:ηξ,𝝉=𝒓=𝟏∞ϕ𝒓ξ𝒒𝒓𝝉𝜙𝑟𝜉𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑙𝑒𝑠𝑠𝑒𝑖𝑔𝑒𝑛𝑓𝑢𝑐𝑛𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠𝑜𝑓𝑎𝑏𝑒𝑎𝑚(𝑠𝑎𝑚𝑒𝐵𝐶)𝑞𝑟𝜏𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑙𝑖𝑧𝑒𝑑𝑐𝑜𝑜𝑟𝑑𝑖𝑛𝑎𝑡𝑒𝑠𝑜𝑓𝑡ℎ𝑒𝑑𝑖𝑠𝑐𝑟𝑒𝑡𝑖𝑧𝑒𝑑𝑠𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚系统的无量纲一阶固有振动圆频率与无量纲速度的关系曲线如下图：解𝒖𝒄𝒓=𝟐𝝅1steigenmode𝑼𝒄𝒓=𝟖𝟗.𝟒𝟐𝟗𝟗𝒎𝒔Intheinterval0≤u≤2piωdecaysfrom22.37to0.The1steigenmodebecomesunstableatu=2pi.结果,U/Ucr=0.100andU/Ucr=0.849𝑼𝑼𝒄𝒓=𝟎.𝟖𝟒𝟗𝑼𝑼𝒄𝒓=𝟎.𝟏𝟎𝟎CFD结果与解析解的对比FSI应用：心脏瓣膜模拟STAR-CCM+/AbaqusCo-SimulationFSI应用案例：减震器VR-Shims,non-linearinteractionwithVC-Shimsatinversionofmotion,springelongationcanbeseenFSIApplications:AbsorberVelocityplot,prescribedmotionandfreemotion没有模型简化考虑弹簧的影响考虑单侧运动，另一侧为响应结果减震过程对垫片的影响减震过程中流体速度的分布每个仿真周期大约4h，运行过程采用2核CCM+,与2核Abaqus。FSI应用案例:减震器ModelfromtheAbaqusExampleProblemsGuide1.1.16PressurepenetrationanalysisofanairductkisssealFSI应用案例:密封圈AbaqusAssemblyCAD-ImportinSTAR-CCM+整周模型的一个截断，5°入口为周期性变化的压力入口出口为恒定压力Flui