基于ANSYS 12.0平臺，深入解析流固耦合分析實例

多年ANSYS實際科研與工程經(jīng)驗的總結(jié)

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經(jīng)過幾十年的發(fā)展，計算機數(shù)值分析已經(jīng)逐漸從科學(xué)研究領(lǐng)域走進工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。其中，作為計算機數(shù)值分析中的兩個重要分支，計算固體分析和計算流體分析逐漸完善和成熟，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于機械、航空、造船、建筑、電子等各種行業(yè)。全國各大高校相關(guān)專業(yè)也都陸續(xù)開設(shè)了有關(guān)結(jié)構(gòu)分析和流體分析的專業(yè)課程，如有限元法（FEM）、計算流體力學(xué)（CFD）等。

隨著理論和應(yīng)用的不斷發(fā)展和融合，一種古老而又全新的分析方法——流固耦合分析，逐漸走進了廣大研究人員和工程師的視野。流固耦合分析（Fluid - Structure Interaction Analysis）是流體分析與固體分析交叉耦合而生成的分析方法，它是研究可變形固體在流場作用下的各種行為以及固體變形對流場影響這二者相互作用的一門分析方法。在某些特定研究和分析中，由于涉及的固體變形和流場變化都不能忽視，流固耦合分析便顯得極為重要和不可缺少。

作為世界著名的通用仿真分析軟件，ANSYS很早便開始流固耦合分析方面的研究和應(yīng)用。其先后并購和組合了流體仿真中的著名軟件CFX和FLUENT，使得新開發(fā)的ANSYS Workbench有能力在不需要第三方軟件的情況下，實現(xiàn)單向和雙向的流固耦合分析。大量的流固耦合分析研究和應(yīng)用已經(jīng)證明，通過ANSYS Workbench進行流固耦合分析操作簡單、計算迅速、結(jié)果可靠。

盡管如此，輔助和培訓(xùn)教材的缺失仍然極大地制約著初學(xué)者對流固耦合分析的學(xué)習(xí)、掌握和使用。即使非常精通結(jié)構(gòu)分析和流體分析的研究人員和工程師也時而對流固耦合分析中的關(guān)鍵步驟一頭霧水。本書不涉及系統(tǒng)理論以及具體算法的介紹，而是從實際應(yīng)用角度出發(fā)，通過大量的工程分析實例，向讀者細(xì)致地講解流固耦合分析。全書共分5章，從基礎(chǔ)開始講解，層層深入到ANSYS單向流固耦合分析、雙向流固耦合分析，以及動網(wǎng)格和網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù)。為了讓讀者能夠更好地理解ANSYS流固耦合分析的工程應(yīng)用，本書還詳細(xì)講解了4個工程實例。

第1章：流固耦合分析基礎(chǔ)，主要介紹流固耦合的基本概念以及ANSYS流固耦合分析的基礎(chǔ)知識。

第2章：單向流固耦合分析，主要講解單向流固耦合分析的應(yīng)用。

第3章：雙向流固耦合分析，主要講解雙向流固耦合分析的應(yīng)用。

第4章：CFX和FLUENT動網(wǎng)格分析，主要講解大變形情況下的流體網(wǎng)格重構(gòu)。

第5章：流固耦合工程實例，主要介紹4個實際工程項目中的流固耦合分析。

需要注意的是，本書中的實例都在ANSYS 12.1版本中完成。其中，大多數(shù)使用的是ANSYS Workbench平臺，即在ANSYS Workbench中建立結(jié)構(gòu)分析和流體分析系統(tǒng)的方法；少數(shù)例子使用CFX+ANSYS Workbench，或者FLUENT+ANSYS Workbench，或ICEM CFD+CFX/ FLUENT +ANSYS Workbench等組合軟件。目前，ANSYS已有最新版本發(fā)布，經(jīng)過驗證，本書中所有例子在ANSYS最新版本上也運行良好，并不影響讀者學(xué)習(xí)并參照這些實例來解決自己所遇到的工程問題。另外，為了最大限度地簡化不必要過程和幫助讀者多方面體驗ANSYS的各種技巧，除了工程實例中的分析，其他分析演示中，很多方面如網(wǎng)格精度、邊界條件、材料屬性等的設(shè)置都與實際情況有所出入，讀者可學(xué)習(xí)參考，但切不可直接拷貝應(yīng)用。

本書特色

 貼近工程實際——本書的實例多從實際工程、科研項目中提煉出來，具有很強的參考價值，其中包括熱應(yīng)力、水壓、旋轉(zhuǎn)域turbo建模、周期邊界、燃燒、熱應(yīng)力、血管壁耦合、模態(tài)分析、流體沖擊、自由頁面、結(jié)構(gòu)振動、活動域、大變形Remesh、FLUENT Remesh 6 DOF等方面的技術(shù)或問題。

 配套模型文件下載——為了方便讀者更有效地學(xué)習(xí)，本書還配套提供模型文件的下載，網(wǎng)址為http://www.waterpub.com.cn/softdown/及http://m.hzxbc.cn，這樣讀者學(xué)習(xí)起來效率更高。

致謝與分工

本書由宋學(xué)官、蔡林和張華編寫，其中宋學(xué)官主要側(cè)重于CFX模塊的耦合分析，蔡林主要側(cè)重于FLUENT模塊的耦合分析，張華主要側(cè)重于旋轉(zhuǎn)機械部分的分析模擬。全書由宋學(xué)官統(tǒng)稿。

感謝成都道然科技有限責(zé)任公司為本書策劃與質(zhì)量控制所做的大量工作，同時感謝南京藍深制泵集團股份有限公司給予的協(xié)助，感謝中國仿真互動網(wǎng)（www.Simwe.com）各位朋友的熱情支持。在本書的編輯過程中，參與具體工作的還有：李偉、景小艷、許志清、劉軍華、夏惠軍、張賽橋、張強林、張代全、萬雷、王斌、江廣順、李強、余松、郭敏、董茜、陳鯤、王曉、李曉寧、丁佳、虞志勇、吳艷。在本書創(chuàng)作期間獲得中國水利水電出版社老師的大力支持，正是他們的辛苦付出，才使得本書能夠在第一時間面向讀者。若讀者在學(xué)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)問題或有更好的建議，可以通過www.dozan.cn/bbs與我們聯(lián)系。

由于時間倉促，作者水平有限，書中錯誤、紕漏之處難免，敬請廣大讀者批評指正。

編 者

2011年12月

前言

第1章 流固耦合分析基礎(chǔ) 1
1.1 流固耦合基礎(chǔ) 1
1.1.1 認(rèn)識流固耦合分析的重要性 1
1.1.2 流體控制方程 3
1.1.3 固體控制方程 3
1.1.4 流固耦合方程 4
1.2 ANSYS流固耦合分析 5
1.2.1 單向流固耦合分析 5
1.2.2 雙向流固耦合分析 6
1.2.3 耦合面的數(shù)據(jù)傳遞 7
1.2.4 網(wǎng)格映射和數(shù)據(jù)交換類型 9
1.3 ANSYS流固耦合分析的基本步驟 9
1.3.1 CFX + Mechanical APDL單向
耦合基本設(shè)置 10
1.3.2 FLUENT+ANSYS單向耦合
基本設(shè)置 11
1.3.3 通過 Mechanical APDL Product
Launcher設(shè)置MFX分析 12
1.4 本章小結(jié) 13
第2章 單向流固耦合分析 14
2.1 單向流固耦合分析基礎(chǔ) 14
2.2 三通管的熱強度計算 16
2.2.1 問題描述 16
2.2.2 ICEM CFD劃分三通管流場網(wǎng)格 16
2.2.3 利用CFX求解三通管流場 19
2.2.4 利用Workbench進行三通管
熱強度分析 25
2.3 風(fēng)力發(fā)電葉片及支架整體分析 29
2.3.1 問題描述 29
2.3.2 幾何模型處理 30
2.3.3 流場網(wǎng)格劃分 31
2.3.4 流體分析設(shè)置 33
2.3.5 開始流體計算 38
2.3.6 流體計算過程中的參數(shù)監(jiān)控和修改 40
2.3.7 查看流體計算結(jié)果 41
2.3.8 結(jié)構(gòu)分析的模型處理 44
2.3.9 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分 45
2.3.10 加載與求解 46
2.4 軸流葉片的應(yīng)力分析 48
2.4.1 問題描述 49
2.4.2 創(chuàng)建分析項目 50
2.4.3 BladeGen中葉片的設(shè)計 50
2.4.4 TurboGrid結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分 57
2.4.5 流體分析設(shè)置 60
2.4.6 流體計算和結(jié)果查看 61
2.4.7 Static Structural(ANSYS)結(jié)構(gòu)分析 62
2.5 燃燒室流場計算及熱變形分析 66
2.5.1 問題描述 66
2.5.2 ICEM CFD劃分燃燒流場網(wǎng)格 66
2.5.3 利用FLUENT求解燃燒流場 70
2.5.4 NOX排放量預(yù)測 77
2.5.5 Workbench進行結(jié)構(gòu)分析 81
2.6 水流沖擊平板分析 86
2.6.1 問題描述 86
2.6.2 創(chuàng)建分析項目 86
2.6.3 建立幾何模型 88
2.6.4 流體分析 88
2.6.5 結(jié)構(gòu)分析 93
2.7 泥漿攪拌器預(yù)應(yīng)力下的模態(tài)分析 96
2.7.1 問題描述 96
2.7.2 創(chuàng)建分析項目 96
2.7.3 Fluent流場分析 98
2.7.4 結(jié)構(gòu)分析 109
2.8 本章小結(jié) 116
第3章 ANSYS雙向流固耦合分析 117
3.1 雙向流固耦合分析基礎(chǔ) 117
3.2 血管和血管壁耦合分析 119
3.2.1 問題描述 119
3.2.2 創(chuàng)建分析項目 119
3.2.3 結(jié)構(gòu)分析設(shè)置 123
3.2.4 流場模型處理 124
3.2.5 流體分析設(shè)置 126
3.2.6 求解計算和結(jié)果監(jiān)視 130
3.2.7 查看流體計算結(jié)果 132
3.2.8 查看結(jié)構(gòu)計算結(jié)果 133
3.2.9 創(chuàng)建動畫文件 135
3.3 泥漿沖擊立柱分析 137
3.3.1 問題描述 137
3.3.2 創(chuàng)建分析項目 138
3.3.3 添加新材料（concrete） 139
3.3.4 建立模型 140
3.3.5 結(jié)構(gòu)分析設(shè)置 141
3.3.6 流場模型處理 143
3.3.7 流場網(wǎng)格劃分 143
3.3.8 流體分析設(shè)置 144
3.3.9 求解和計算結(jié)果 151
3.4 飛機副翼轉(zhuǎn)動耦合分析 156
3.4.1 問題描述 157
3.4.2 創(chuàng)建分析項目 157
3.4.3 選用新材料（Aluminum Alloy） 158
3.4.4 導(dǎo)入模型 159
3.4.5 結(jié)構(gòu)分析設(shè)置 159
3.4.6 流場模型處理 164
3.4.7 流場網(wǎng)格劃分 164
3.4.8 流體分析設(shè)置 166
3.4.9 求解和計算結(jié)果 171
3.5 圓柱繞流耦合振動分析 175
3.5.1 問題描述 176
3.5.2 ICEM CFD劃分流場網(wǎng)格 177
3.5.3 無耦合的圓柱繞流分析 180
3.5.4 流固耦合圓柱繞流分析 186
3.6 水潤滑橡膠軸承分析 191
3.6.1 問題描述 191
3.6.2 利用ICEM劃分水膜網(wǎng)格 192
3.6.3 利用Workbench完成結(jié)構(gòu)設(shè)置 195
3.6.4 流體分析設(shè)置 199
3.6.5 開始計算及計算結(jié)果監(jiān)測 202
3.6.6 查看水膜流場結(jié)果 203
3.7 本章小結(jié) 204
第4章 ANSYS 動網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用 205
4.1 動網(wǎng)格分析基礎(chǔ) 205
4.2 大變形網(wǎng)格重構(gòu)功能分析 206
4.2.1 問題描述 207
4.2.2 網(wǎng)格劃分和腳本錄制 207
4.2.3 流體分析設(shè)置 211
4.2.4 求解和計算結(jié)果 217
4.3 FLUENT Remesh 6DOF分析 220
4.3.1 問題描述 220
4.3.2 FLUENT 6DOF UDF的編譯 221
4.3.3 FLUENT查看流場結(jié)果 230
4.3.4 利用Tecplot進行流場后處理 230
4.4 本章小結(jié) 234
第5章 ANSYS流固耦合工程實例 235
5.1 某型號離心泵分析 235
5.2 問題描述 236
5.2.1 網(wǎng)格劃分 236
5.2.2 流體分析設(shè)置 237
5.2.3 結(jié)構(gòu)分析設(shè)置 245
5.3 泄壓閥動態(tài)特性分析 253
5.3.1 問題描述 253
5.3.2 創(chuàng)建CFX分析項目 256
5.3.3 流體分析設(shè)置 256
5.3.4 求解計算和結(jié)果監(jiān)視 263
5.4 止回閥動態(tài)分析 266
5.4.1 問題描述 266
5.4.2 FLUENT DEFINE CG_Motion UDF的
編譯 267
5.4.3 止回閥動網(wǎng)格的編譯 267
5.4.4 壓力進口UDF編寫 269
5.4.5 FLUENT止回閥流場求解設(shè)置 269
5.4.6 流場后處理 275
5.5 滑動軸承玻璃軸瓦強度分析 277
5.5.1 問題描述 278
5.5.2 FLUENT分析滑動軸承油膜流場 278
5.5.3 油膜流場結(jié)果后處理 283
5.5.4 流場與結(jié)構(gòu)分析耦合 285
5.5.5 結(jié)構(gòu)分析設(shè)置 286
5.5.6 結(jié)構(gòu)求解及結(jié)果分析 289
5.6 本章小結(jié) 291
參考文獻 292

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