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流固耦合|基础知识

流固耦合概念

流固耦合，是研究可变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流

场影响这二者相互作用的一门科学。它是流体力学(CFD)与固体力学

(CSM)交叉而生成的一门力学分支，同时也是多学科或多物理场研究的一

个重要分支。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形

固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。变形或运动又反过来影响流体

运动，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件

下产生形形色色的流固耦合现象。当你研究的问题，不仅涉及到了流场的

分析，还涉及到了结构场的分析，而且二者之间存在着明显的相互作用的

时候，你就考虑进行流固耦合分析。

流固耦合求解方法

流固耦合问题分析根据流体域和固体域之间物理场耦合程度的不同，可分

为强耦合和弱耦合，对应的求解方法分别为直接解法和分离解法。直接解

法通过将流场和结构场的控制方程耦合到同一方程矩阵中求解，即在同一

求解器中同时求解流固控制方程，理论上非常先进，适用于大固体变形、

生物隔膜运动等。但在实际应用中，直接法很难将现有的计算流体动力学

和计算固体力学技术真正结合到一起。

另外，考虑到同步求解的收敛难度以及耗时问题，直接解法目前主要应用

于模拟分析热－结构耦合和电磁－结构耦合等简单问题中，对于流体－结

构耦合只进行了一些非常简单的研究，还难以应用在实际工程问题中。而

弱流固耦合的分离解法是分别求解流体和固体的控制方程，通过流固耦合

交界面进行数据传递。该方法对计算机性能的需求大幅降低，可用来求解

实际的大规模问题。

目前的商业软件中，流固耦合分析基本都采用分离解法。ANSYS很早便开

始进行流固耦合的研究和应用，目前ANSYS中的流固耦合分析算法和功能

已相当成熟，可以通过或者不通过第三方软件（如MPCCI）实现ANSYS

MechanicalAPDL+CFX、ANSYSMechanicalAPDL+FLUENT、

ANSYSMechanical+CFX的流固耦合分析。

流固耦合控制方程

1.流体控制方程

连续性方程：

动量方程（N-S方程）：

能量方程：

2.固体控制方程

流固耦合遵循最基本的守恒原则，所以在流固耦合交界面处，应满足流体

与固体应力、位移、热流量、温度等变量的相等或守恒，即满足如下4个

方程：

此外，对于某些特定的问题，比如流固热耦合等，还需要相应的考虑热传

导方程等。

分离解法的两种耦合方式

从分析仿真的过程上讲，普通的仿真过程主要工作包括：分析问题并建立

几何模型、选用合适的求解模型、建立有限元网格模型、设置仿真分析、

求解和后处理。单向流固耦合分析过程主要包括：流场仿真和结构仿真，

不仅每一个过程均包括上述几个过程，而且还包括将流场结果施加给结构

分析。

流场分析是结构分析准备的前提，求解过程始终是先求解流场，再求解结

构分析，分成两次求解，但是模型是一一对应的。耦合交界面处的数据传

递是单向的，一般是指把CFD分析计算的结果（如力、温度和对流载荷）

传递给固体结构分析，但是没有固体结构分析结果传递给流体分析的过

程。也就是说，只有流体分析对结构分析有重大影响，而结构分析的变形

等结果非常小，以至于对流体分析的影响可以忽略不计。

单向耦合的现象和分析非常普遍，比如热交换器的热应力分析、阀门在不

同开度下的应力分析、塔吊在强风中的静态结构分析、旋转机械的结构强

度分析等，都属于单向耦合分析。双向流固耦合分析是指数据交换是双向

的，也就是既有流体分析结果传递给固体结构分析，又有固体结构分析的

结果（如位移、速度和加速度）反向传递给流体分析。此类分析多用于流

体和固体介质密度比相差不大或者高速、高压下，固体变形非常明显以及

其对流体的流动造成显著影响的情况。常见的分析有挡板在水流中的振动

分析、血管壁和血液流动的耦合分析、油箱的晃动和振动分析等。

流