Fluent流固耦合中施加环境压力

本文聊聊Fluent内置流固耦合中的环境压力加载的问题。

较新版本的Fluent中可以直接进行流固热耦合计算。相比较需要利用Mechanical与System Coupling的传统耦合流程来说，这无疑是比较方便的。

注意：Fluent内置的耦合计算受制于Structural模型，该模型仅适用于线弹性计算，仅能考虑几何非线性问题，对于更复杂的材料非线性与状态非线性无能为力。因此如果固体结构力学行为非常复杂的话，还是需要借助Mechanical进行应力计算。

”

使用Fluent进行内置耦合计算时，对几何模型有一些特殊的要求：

1. 需要同时创建固体域和流体域
2. 固体域和流体域之间必须共享拓扑

这里问题来了，当固体域与流体域共享拓扑时，流固交界面采用的是shadow面，此面边界条件必须指定为Intrinsic FSI，无法再指定其他力或位移条件。如下图所示的弯管模型，管内有流体流动，内压2 MPa。

要计算管内流体流动时管道上的应力分布情况。

这时可以创建如下图所示的计算模型。

考虑模型对称性，可以采用一半模型进行计算。

如果需要进行流固耦合计算，那么交界面需要共享拓扑，此时可以生成共节点的计算网格，如下图所示。

网格导入Fluent后包含流体域与固体域。如下图所示。

计算边界名如下图所示。

注意这里有一对shadow面，是流体域与固体域的重合面。

设置流体域介质为液态水（密度1000 kg/m3，粘度0.001 Pa.s），流体域入口速度10 m/s，出口压力0 Pa，指定操作压力2 MPa。

固体域材料介质为默认的铝。三个对称面（sym-X、sym-Y、sym-Z）给对称约束（沿对称面法向的位移为0，其他为Free，如下面sym-X边界）。

固体侧的shadow面（这里为wall-fluid-solid）给定三个方向位移约束为Intrinsic FSI，如下图所示。

进行计算（这里单向耦合可以先算流体，然后再接着算固体应力）。

计算结果如下图所示。

趋势上没什么问题，但应力值数量级貌似不对。主要原因是Fluent内部默认传递的是相对压力，我们前面加的环境压力2 MPa根本没起作用，传递到固体域上的压力仅为流体的动压转化为的静压（估算为），这可以查看流体域壁面上的压力值来验证。

若想要将2 MPa的管道内压包含进去，需要使用TUI命令。

输入下面的命令：

/define/models/structure/expert/include-pop-in-fsi-force? yes

再继续进行计算，此时应力值如下图所示，可以看到2 MPa的内压起了作用。

也可以使用Fluent+Mechanical流程进行验证，在Mechanical流程中直接对固体内壁施加2MPa的内压。

从Fluent导入到Mechanical模块的压力如下图所示，可以看到与前面Fluent中显示的压力值一致。

加2 MPa内压后计算的管道应力如下图所示。

应力值与Fluent计算结果差不多（还是有一些差距的，因为Mechanical中使用的是有限元法，而且采用的是二次单元，而Fluent用的是有限体积法，只能使用一次单元。在相同网格数量的前提下，Mechanical计算精度要比Fluent高得多。如果想得到与Mechanical接近的计算结果，可以尝试加密Fluent中固体域的网格密度)。

所以总结一下，如果想要在Fluent内置的流固耦合计算中考虑环境压力（使用绝对压力），可以在操作压力对话框中指定环境压力值，并使用TUI命令/define/models/structure/expert/include-pop-in-fsi-force? yes将此环境压力考虑进去。

具体操作过程就懒得写了，有兴趣的话用下面的文件自己尝试。

下载链接：https://pan.baidu.com/s/1mmsvvFeTbJh-MPdjr795Qg 提取码：di3o

”