基于ANSYS 12.0平臺(tái)，深入解析流固耦合分析實(shí)例

多年ANSYS實(shí)際科研與工程經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)

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經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)值分析已經(jīng)逐漸從科學(xué)研究領(lǐng)域走進(jìn)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。其中，作為計(jì)算機(jī)數(shù)值分析中的兩個(gè)重要分支，計(jì)算固體分析和計(jì)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(jī)械、航空、造船、建筑、電子等各種行業(yè)。全國(guó)各大高校相關(guān)專業(yè)也都陸續(xù)開(kāi)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(jì)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(jìn)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(chǎng)作用下的各種行為以及固體變形對(duì)流場(chǎng)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(chǎng)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(kāi)始流固耦合分析方面的研究和應(yīng)用。其先后并購(gòu)和組合了流體仿真中的著名軟件CFX和FLUENT，使得新開(kāi)發(fā)的ANSYS Workbench有能力在不需要第三方軟件的情況下，實(shí)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(guò)ANSYS Workbench進(jìn)行流固耦合分析操作簡(jiǎn)單、計(jì)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(duì)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(shí)而對(duì)流固耦合分析中的關(guān)鍵步驟一頭霧水。本書(shū)不涉及系統(tǒng)理論以及具體算法的介紹，而是從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，通過(guò)大量的工程分析實(shí)例，向讀者細(xì)致地講解流固耦合分析。全書(shū)共分5章，從基礎(chǔ)開(kāi)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(dòng)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(shū)還詳細(xì)講解了4個(gè)工程實(shí)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(shí)。

第2章：?jiǎn)蜗蛄鞴恬詈戏治�，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(dòng)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(shí)例，主要介紹4個(gè)實(shí)際工程項(xiàng)目中的流固耦合分析。

需要注意的是，本書(shū)中的實(shí)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(tái)，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(guò)驗(yàn)證，本書(shū)中所有例子在ANSYS最新版本上也運(yùn)行良好，并不影響讀者學(xué)習(xí)并參照這些實(shí)例來(lái)解決自己所遇到的工程問(wèn)題。另外，為了最大限度地簡(jiǎn)化不必要過(guò)程和幫助讀者多方面體驗(yàn)ANSYS的各種技巧，除了工程實(shí)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(shí)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(shū)特色

 貼近工程實(shí)際——本書(shū)的實(shí)例多從實(shí)際工程、科研項(xiàng)目中提煉出來(lái)，具有很強(qiáng)的參考價(jià)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(yè)面、結(jié)構(gòu)振動(dòng)、活動(dòng)域、大變形Remesh、FLUENT Remesh 6 DOF等方面的技術(shù)或問(wèn)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(shū)還配套提供模型文件的下載，網(wǎng)址為http://www.waterpub.com.cn/softdown/及http://www.dgboyong.cn，這樣讀者學(xué)習(xí)起來(lái)效率更高。

致謝與分工

本書(shū)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(jī)械部分的分析模擬。全書(shū)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(shū)策劃與質(zhì)量控制所做的大量工作，同時(shí)感謝南京藍(lán)深制泵集團(tuán)股份有限公司給予的協(xié)助，感謝中國(guó)仿真互動(dòng)網(wǎng)（www.Simwe.com）各位朋友的熱情支持。在本書(shū)的編輯過(guò)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(qiáng)林、張代全、萬(wàn)雷、王斌、江廣順、李強(qiáng)、余松、郭敏、董茜、陳鯤、王曉、李曉寧、丁佳、虞志勇、吳艷。在本書(shū)創(chuàng)作期間獲得中國(guó)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(shū)能夠在第一時(shí)間面向讀者。若讀者在學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題或有更好的建議，可以通過(guò)www.dozan.cn/bbs與我們聯(lián)系。

由于時(shí)間倉(cāng)促，作者水平有限，書(shū)中錯(cuò)誤、紕漏之處難免，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)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(shí)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(guò) 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(qiáng)度計(jì)算 16
2.2.1 問(wèn)題描述 16
2.2.2 ICEM CFD劃分三通管流場(chǎng)網(wǎng)格 16
2.2.3 利用CFX求解三通管流場(chǎng) 19
2.2.4 利用Workbench進(jìn)行三通管
熱強(qiáng)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(wèn)題描述 29
2.3.2 幾何模型處理 30
2.3.3 流場(chǎng)網(wǎng)格劃分 31
2.3.4 流體分析設(shè)置 33
2.3.5 開(kāi)始流體計(jì)算 38
2.3.6 流體計(jì)算過(guò)程中的參數(shù)監(jiān)控和修改 40
2.3.7 查看流體計(jì)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(wèn)題描述 49
2.4.2 創(chuàng)建分析項(xiàng)目 50
2.4.3 BladeGen中葉片的設(shè)計(jì) 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(jì)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(chǎng)計(jì)算及熱變形分析 66
2.5.1 問(wèn)題描述 66
2.5.2 ICEM CFD劃分燃燒流場(chǎng)網(wǎng)格 66
2.5.3 利用FLUENT求解燃燒流場(chǎng) 70
2.5.4 NOX排放量預(yù)測(cè) 77
2.5.5 Workbench進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析 81
2.6 水流沖擊平板分析 86
2.6.1 問(wèn)題描述 86
2.6.2 創(chuàng)建分析項(xiàng)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(wèn)題描述 96
2.7.2 創(chuàng)建分析項(xiàng)目 96
2.7.3 Fluent流場(chǎng)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(wèn)題描述 119
3.2.2 創(chuàng)建分析項(xiàng)目 119
3.2.3 結(jié)構(gòu)分析設(shè)置 123
3.2.4 流場(chǎng)模型處理 124
3.2.5 流體分析設(shè)置 126
3.2.6 求解計(jì)算和結(jié)果監(jiān)視 130
3.2.7 查看流體計(jì)算結(jié)果 132
3.2.8 查看結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果 133
3.2.9 創(chuàng)建動(dòng)畫文件 135
3.3 泥漿沖擊立柱分析 137
3.3.1 問(wèn)題描述 137
3.3.2 創(chuàng)建分析項(xiàng)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(chǎng)模型處理 143
3.3.7 流場(chǎng)網(wǎng)格劃分 143
3.3.8 流體分析設(shè)置 144
3.3.9 求解和計(jì)算結(jié)果 151
3.4 飛機(jī)副翼轉(zhuǎn)動(dòng)耦合分析 156
3.4.1 問(wèn)題描述 157
3.4.2 創(chuàng)建分析項(xiàng)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(chǎng)模型處理 164
3.4.7 流場(chǎng)網(wǎng)格劃分 164
3.4.8 流體分析設(shè)置 166
3.4.9 求解和計(jì)算結(jié)果 171
3.5 圓柱繞流耦合振動(dòng)分析 175
3.5.1 問(wèn)題描述 176
3.5.2 ICEM CFD劃分流場(chǎng)網(wǎng)格 177
3.5.3 無(wú)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(rùn)滑橡膠軸承分析 191
3.6.1 問(wèn)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(kāi)始計(jì)算及計(jì)算結(jié)果監(jiān)測(cè) 202
3.6.6 查看水膜流場(chǎng)結(jié)果 203
3.7 本章小結(jié) 204
第4章 ANSYS 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用 205
4.1 動(dòng)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(wèn)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(jì)算結(jié)果 217
4.3 FLUENT Remesh 6DOF分析 220
4.3.1 問(wèn)題描述 220
4.3.2 FLUENT 6DOF UDF的編譯 221
4.3.3 FLUENT查看流場(chǎng)結(jié)果 230
4.3.4 利用Tecplot進(jìn)行流場(chǎng)后處理 230
4.4 本章小結(jié) 234
第5章 ANSYS流固耦合工程實(shí)例 235
5.1 某型號(hào)離心泵分析 235
5.2 問(wèn)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(dòng)態(tài)特性分析 253
5.3.1 問(wèn)題描述 253
5.3.2 創(chuàng)建CFX分析項(xiàng)目 256
5.3.3 流體分析設(shè)置 256
5.3.4 求解計(jì)算和結(jié)果監(jiān)視 263
5.4 止回閥動(dòng)態(tài)分析 266
5.4.1 問(wèn)題描述 266
5.4.2 FLUENT DEFINE CG_Motion UDF的
編譯 267
5.4.3 止回閥動(dòng)網(wǎng)格的編譯 267
5.4.4 壓力進(jìn)口UDF編寫 269
5.4.5 FLUENT止回閥流場(chǎng)求解設(shè)置 269
5.4.6 流場(chǎng)后處理 275
5.5 滑動(dòng)軸承玻璃軸瓦強(qiáng)度分析 277
5.5.1 問(wèn)題描述 278
5.5.2 FLUENT分析滑動(dòng)軸承油膜流場(chǎng) 278
5.5.3 油膜流場(chǎng)結(jié)果后處理 283
5.5.4 流場(chǎng)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(xiàn) 292

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