本案例利用CFX与ANSYS Mechanics流固耦合功能求解计算柔性管道在压力脉动作用下应力分布情况。

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案例描述

本案例模型如图所示，管道为橡胶管，流经介质为水。

本案例先采用稳态FSI分析，之后转为瞬态FSI计算。

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启动模型

• 启动Workbench

• 拖拽Transient Structural及Fluid Flow(CFX)到工程窗口中，并按下图所示设置数据连接关系

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几何模型

• 右键选择A3单元格，选择菜单Inport Geometry → Browse…，在弹出的文件选择对话框中选择几何文件pipe.agdb

• 双击A3单元格进入ANSYS DM，查看几何模型

如图所示，几何中包含有三个模型：Line Body、Solid以及Surface Body。其中Line Body是在创建几何过程中遗留下来的模型，不会参与计算。Solid为流体域模型，Surface Body为固体结构模型。本案例固体模型为壳模型。

• 右键选择LIne Body，选择Suppress Body，删除几何Line Body。

• 关闭DM，返回至ANSYS Workbench工程窗口。

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材料编辑

• 双击A2单元格打开Engineering Data面板

• 输入新的材料名称为Rubber

• 添加属性Density及IsotropicElasticity，并设置Dnesity为1100 kg/m3，设置Young's Modulus为1E+07 Pa，设置Poisson's Ratio为0.45

注意将橡胶简化为线弹性是不对的，橡胶材料通常是超弹性。这里只是图简单罢了。工程应用中需要采用真实的材料参数。

• 关闭材料编辑面板，返回至Workbench工程界面。

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Structural设置

• 双击A4单元格进入Mechanical模块

• 右键选择模型树节点Geometry > Solid，选择弹出菜单Suppress Body

• 选中模型树节点Geometry > Surface Body，属性窗口中设置Thicknewss为0.003 m，设置Material Assignment为Rubber

• 右键选择模型树节点Mesh，选择弹出菜单Insert → Face Meshing，图形窗口中选择管道表面

• 右键选择模型树节点Mesh，选择弹出菜单Generate Mesh生成网格

生成的网格如下图所示。

• 点击模型树节点Analysis Settings，设置属性窗口中Auto Time Stepping为Off，设置Define By为Substeps，设置Number Of Substeps为1，设置Time Integration为Off

• 设置管道两头的两个圆边约束为Fixed Support，如下图所示操作

• 如下图所示操作，设置管道面为Fluid Solid interface

• 关闭Mechanical模块，返回Workbench工程窗口

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CFX网格设置

• 双击B3单元格进入CFX工作界面

• 右键选择Geometry > Surface Body，选择菜单Suppress Body去除几何

• 创建边界命名inlet、outlet及FluidWall

• 右键选择模型树节点Mesh，选择菜单Insert → Method插入网格方法

• 按下图所示设置Sweep方法参数

• 右键选择节点Sweep Method，选择弹出菜单Insert → Inflation插入边界层网格

• 按下图所示设置参数

• 右键选择模型树节点Mesh，选择弹出菜单Generate Mesh生成网格

生成的网格如下图所示。

• 关闭Mechanics，返回至Workbench中，右键选择B3单元格，选择弹出菜单Update更新网格

• 右键选择A5单元格，选择弹出菜单Update更新

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CFX稳态计算

• 双击B4单元格进入CFX

7.1 Analysis Type

• 双击模型树节点Analysis Type，弹出设置面板

• 设置ANSYS MultiField Coupling为ANSYS MultiField

• 设置Coupling Time Duration为Total Time，设置其值为1 [s]

• 设置Timesteps为1 [s]

• 设置Analysis Type为Steady State

• 点击OK按钮确认参数

这里计算稳态，因此时间项可以随便设置

7.2 Domain设置

• 双击模型树节点Default Domain，弹出区域设置面板

• 切换到Basic Settings标签页，按下图所示进行设置

• 切换到Fluid Models标签页，按下图所示设置

• 点击OK按钮关闭对话框

7.3 边界条件设置

• 如下图所示插入Boundary，命名为inlet

• 设置Boundary Type为Opening，选择Location为inlet

• 切换到Boundary Details标签页，设置Relative Pressure为100 [Pa]，如下图所示

• 相同方式插入类型为Opening的边界，命名为outlet，选择Location为outlet，设置其Relative Pressure为0 [Pa]

• 插入新边界命名为FSI Interface，选择Boundary Type为Wall，设置Location为FluidWall

• 设置Mesh Motion Option为ANSYS MultiField，其他参数保持默认设置，点击OK按钮确认设置

7.4 Solver Control设置

• 双击模型树节点Solver Controls，弹出设置面板

• 设置Max. Iterations为10

• 设置Physical Timescale为0.5 [s]，如下图所示

• 进入Equation Class Settings标签页，进行如下图所示设置

• 进入External Coupling标签页，进行如下图所示设置，点击OK按钮关闭设置面板

• 选择菜单Insert > Solver > Expert Parameter，插入高级控制参数设置，按下图所示设置，点击OK按钮关闭设置面板

7.5 Monitor设置

• 双击模型树节点Output Control

• 进入Monitor标签页，定义监控参数ForceY，如下图所示设置

• 定义第2个监控量DisplacementPoint，参数如下图所示。（图中坐标选取管道弯曲处的节点）

• 点击OK按钮关闭对话框

• 关闭CFX界面，返回至Workbench工程面板

7.6 计算设置

• 双击B5单元格，打开Define Run对话框

• 激活选项Double Precision，点击按钮Start Run开始计算

7.7 结果查看

计算完毕后，关闭计算面板，返回至Workbench工程窗口。

• 双击B6单元格进入CFD-Post模块

管道总位移分布云图如下图所示。

米塞斯应力分布如下图所示。

• 关闭CFD-Post返回至Workbench工程窗口

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道