【Fluent案例】11：流固耦合[1]

本案例利用流固耦合计算流体流经科里奥利流量计引起的振动问题。

本案例主要演示的内容包括：

• 创建流量计模态分析模型

• 创建流量计管道瞬态结构分析模型

• 建立包含耦合效应的Fluent瞬态分析模型

• 建立耦合流动模型

科里奥利流量计是一种直接而精密地测量流体质量流量的新颖仪表，以结构主体采用两根并排的U形管，让两根管的回弯部分相向微微振动起来，则两侧的直管会跟着振动，即它们会同时靠拢或同时张开，即两根管的振动是同步的，对称的。

如果在管子同步振动的同时，将流体导入管内，使之沿管内向前流动，则管子将强迫流体与之一起上下振动。流体为了反抗这种强迫振动，会给管子一个与其流动方向垂直的反作用力，在这种被叫做科里奥利效应力的作用下，管子的震动不同步了，入口段管与出口段管在振动的时间先后商会出现差异，（差异是由于入口段和出口段流体流向是相反的），这叫做相位时间差。这种差异与流过管子的流体质量流量的大小成正比。如果通过电路能检测出这种时间差异的大小，则就能将质量流量的大小给确定了。

没有水流经时的U型管：

有水流经后的U型管振动：

关于科里奥利流量计的工作原理，可参看维基百科http://en.wikipedia.org/wiki/Mass_flow_meter。

作用在U型管上的强迫位移应该为管子固有频率所对应的振型，在本案例的第一部分，采用模态分析获取U型管振动的固有频率。在计算固有频率时，需要考虑管子中注满了液体。

在计算的第二部分，将强迫位移以第一步获取的频率施加到U型管上进行瞬态分析。最后利用Fluent考虑流体流动，以双向耦合形式考虑流体流动过程中U型管的振动。

本案例只考虑一根U型管。

• 启动Workbench

• 利用菜单File → Resotre Archive打开文件CoriolisFlowMeter.wbpz，并将文件保存到硬盘中
  

文件读取后workbench中多出了三个仿真工程：Modal、Transient Structural、Fluid Flow。注意它们的数据连接方式。

• 双击A5单元格进入模态分析模块

• 鼠标右键选择模型树节点Model > Geometry > Part > fluid，选择弹出菜单Insert → Commands，弹出命令输入面板

在弹出的命令输入面板中输入以下命令：

如下图所示。

此命令为fluid几何赋予材料属性，定义其单元类型为fluid30，密度为1000，声速为1497

• 右键选择模型树节点Modal，选择右键菜单Insert → Fixed Support
  

• 切换到边选择模式，在图形窗口中选择U型管进出口两侧的4个圆边，如下图所示，点击属性窗口中的Apply按钮添加约束

• 鼠标右键选择模型树节点Modal，选择弹出菜单Insert → Commands插入命令

在命令窗口中输入以下命令：

• cmsel,s,interface esel,s,enam,,30 sf,all,fsi allsel

  这些命令为与管道连接的fluid30单元设置FSI交界面标记。cmsel命令选择与名称interface的边界相关的所有节点，esel命令则选择所有与此节点相关的所有fluid30单元，sf命令设置FSI交界面标记

• 选中模型树节点Analysis Settings，属性窗口中设置Solver Type为Unsymmetric

• 右键选择模型树节点Solution，点击弹出菜单Solve进行求解计算

• 计算完毕后，可在结果列表中查看前6阶频率。选择所有的Frequency，点击鼠标右键，选择菜单Create Mode Shape Results

• 右键选择模型树节点Solution，选择菜单Evaluate All Results更新结果

查看每一阶模态振型，发现第2阶振型的Y方向位移最大，如图所示。后面将第2阶频率50.4Hz作为加载条件。

未完待续~，案例实在太长了，明天写瞬态计算及Fluent设置。