CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合




背景介绍

最初的流固耦合FSI(Fluid-Solid Interaction)专指研究流体载荷对弹性结构的影响,例如飞机机翼气动弹性问题,船舶螺旋桨的水弹性问题,核反应堆燃料棒的涡激振动问题等等。在数值仿真领域FSI概念扩展到一般性的CFD模型和FEA模型的数据交换问题。


FSI真实案例:大桥与风场组成了耦合系统,大风产生了一定频率的卡门涡脱落,这个频率与耦合系统中的结构固有频率相近,使系统发生了共振,大桥剧烈晃动直至崩塌。


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图1

大桥剧烈晃动直至崩塌



HyperWorks的流体求解器AcuSolve流固耦合分析分为四种情况: 


  • 分析稳态的流场压力和温度场对固体变形的影响,也叫 TFSI (Thermal-FSI)属于单向耦合; 

  • 分析流体动载荷引起的固体振动现象,也叫P-FSI (Practical FSI),属于单向耦合;

  • 瞬态流动引起固体大变形,并反馈给流场,也叫DC-FSI (Direct Coupling FSI),属于双向耦合。

  • 固体本身的变形量很小,可以认为是刚体,但是整体产生比较大的位移,可以采用CFD耦合MBD多体动力学分析,也属于双向耦合。

以上几种分析都可以在SimLab模块中完成,流固交界面的耦合数据在后台传递,无需用户编辑脚本。


TFSI模型的计算代价最小,通常用于流体静载荷或温度梯度引起的固体小变形,例如汽车排气管的热应力,发动机水套的热应力,车灯的热应力等等场景。



排气歧管的TFSI分析案例


AcuSolve模型的管路入口为高温高压气体,管路出口为大气压和环境温度,管路外壁面是自然对流散热边界。AcuSolve结果传递给求解器OptiStruct再分析管路的热应力和变形。


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图2
CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图3

AcuSolve模型的边界


OptiStruct模型的约束

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图4


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图5


AcuSolve分析温度场



OptiStruct分析变形量

SimLab发动机壳体的TFSI分析案例


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图6


P-FSI计算代价中等。首先进行OptiStruct的模态分析,将模态频率和振型(*op2文件)传递给AcuSolve,模态向量从固体网格映射到流体网格的湿表面上。接着打开ALE动网格开关,Moving Mesh → Computed求解湿表面的变形。需要注意的是:P-FSI固体变形必须在线性范围内,无法考察固体内的真实应力,但是可以评估结构的疲劳水平。



P-FSI案例


海洋工程上采用的圆柱形断面结构物,在洋流冲刷下产生周期性脱落的旋涡,由此产生脉动压力,引发结构的周期性振动,这种规律性的管体振动反过来又会改变旋涡的频率。如果卡门涡频率和结构模态吻合,振幅会达到最大。这种现象也称为“涡激振动”(Vortex-Induced Vibration :VIV)


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图7

安装了扰流片的海工结构

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图8

AcuSolve的ALE动网格


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图9
CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图10

圆形截面管振动幅度较大

安装扰流片改变了卡门涡频率,从而减少了结构振幅



射流主动控制技术


除了安装扰流片,也可以在结构的表面安装射流装置,同样可以改变卡门涡的频率,从而破坏VIV的“吻合”效应。


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图11

圆柱绕流的卡门涡


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图12


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图13
CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图14

无射流控制

有射流控制

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图15

流体侧向力的时间历程曲线

无射流控制(蓝色),有射流控制(红色)


大型的结构或建筑也要考虑风载荷的激励。一方面改变风涡脱落频率,或者通过安装加强筋,配重等手段改变结构的固有频率,避免严重的VIV现象。


案例:风力发电机的叶片在强风下产生显著变形,不仅会改变叶片的空气动力学性能,如果翼尖变形量过大,甚至会影响塔架安全。


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图16

风力发电机风洞试验

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图17
CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图18

OptiStruct分析叶片的振动形式:摆振和扭转


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图19

2叶片风力机的外流场和翼尖的变形曲线


案例:100米长风力机叶片的P-FSI分析


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图20

OptiStruct叶片模态分析


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图21

AcuSolve计算叶片外流场

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图22

AcuSolve计算叶片的变形



案例:大型天线的风载荷分析(静载荷和风振)


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图23
CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图24

大型天线的风振FSI分析



案例:路牌的风振分析



CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图25


案例:赛车尾翼的风振分析


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图26
CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图27


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图28


除了VIV, 还有一类现象,叫做VIM (Vortex Induced Motion),分析刚体在流体载荷下的运动规律。



VIM案例:复杂的圆柱绕流问题


AcuSolve输出流体载荷,更新固体的位移,MotionSolve 接受流体载荷并求解固体速度/加速度/位移。

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图29

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图30

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图31



VIM案例:AcuSolve模拟水池晃动,耦合连杆机构运动


MotionSolve的湿表面必须是刚体,其余部分可以是柔性体,分析结构应力应变。


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图32



VIM案例:海工结构在洋流下的运动


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图33



DC-FSI同时计算 AcuSolve 和 OptiStruct 模型,在相同的时间步交换数据,计算代价最大。可以考虑固体的大变形和材料非线性,并评估固体变形的真实应力。


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图34
CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图35

DC-FSI原理图




隔膜阀DC-FSI分析案例


隔膜阀置于轴向流道,隔膜材料能承受较大变形, 在大流量下隔膜产生形变,逐步减小过流面积,起到自动节流的效果。


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图36

隔膜阀的瞬态流场


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图37

隔膜阀的Von Mises 应力


CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图38

隔膜阀中心点位移



DC-FSI分析案例:海浪冲击载荷评估



DC-FSI分析案例:油箱防浪板的冲击变形



 总 结 

  • 首先用户判断FSI问题属于哪一类,采取合理假设,降低计算代价。


  • 流固交界面的网格不要求节点一一匹配,但是如果流体侧和固体侧的网格尺寸差太多,可能会造成数据映射的误差。


  • P-FSI和DC-FSI的流体都要求是瞬态计算,估算时间步长,既要满足振动最高频率的要求,还要满足一个时间步内网格变形量不能过大(否则造成CFD网格负体积而发散)。


  • 避免在一个时间步内传递很大的力给OptiStruct,或反之,在一个时间步内传递很大的位移给AcuSolve。可以通过增加一个Multiplier的方法分步加载,提高FSI耦合计算的收敛稳定性。


  • HyperWorks的FSI计算可以跨平台,比如把AcuSolve计算放在Linux的集群上,而OptiStruct的计算放在Windows的台式机,通过TCP端口进行网络通讯。



关于 Altair 澳汰尔


Altair(纳斯达克股票代码:ALTR)是计算科学和人工智能(AI)领域的全球领导者之一,在仿真、高性能计算 (HPC) 和人工智能等领域提供软件和云解决方案。Altair 能使跨越广泛行业的企业们在连接的世界中更高效地竞争,并创造更可持续的未来。


公司总部位于美国密歇根州,服务于13000多家全球企业,应用行业包括汽车、消费电子、航空航天、能源、机车车辆、造船、国防军工、金融、零售等。


欲了解更多信息,欢迎访问:

www.altair.com.cn

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的图39

HyperWorks多物理场仿真流固耦合CFD

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的评论1条

CFD专栏丨HyperWorks多物理场仿真:流固耦合的相关案例教程

背景介绍 最初的流固耦合FSI(Fluid-Solid Interaction)专指研究流体载荷对弹性结构的影响,例如飞机机翼气动弹性问题,船舶螺旋桨的水弹性问题,核反应堆燃料棒的涡激振动问题等等。在数值仿真领域FSI概念扩展到一般性的CFD模型和FEA模型的数据交换问题。 FSI真实案例:大桥与风场组成了耦合系统,大风产生了一定频率的卡门涡脱落,这个频率与耦合系统中的结构固有频率相近,使系统发生
背景介绍 最初的流固耦合FSI(Fluid-Solid Interaction)专指研究流体载荷对弹性结构的影响,例如飞机机翼气动弹性问题,船舶螺旋桨的水弹性问题,核反应堆燃料棒的涡激振动问题等等。在数值仿真领域FSI概念扩展到一般性的CFD模型和FEA模型的数据交换问题。 FSI真实案例:大桥与风场组成了耦合系统,大风产生了一定频率的卡门涡脱落,这个频率与耦合系统中的结构固有频率相近,使系统发生
Altair 从 2019 年底开始推出全新的 HyperWorks 用户界面,新的 UI 风格简洁、明快,非常符合用户使用习惯。 对于 CFD 仿真工程师,有一款容易上手、专用、功能又强大的建模工具可以极大的提高工作效率。 HyperWorks CFD 正是这样一款工具,它集成了 HyperMesh 的原有的几何编辑功能和网格生成算法,同时针对 CFD 建模的特点进行了深度定制。 下面就来给大家
什么是颗粒两相流? 颗粒-流体两相流在许多行业中都会遇到,包括能源、农业、采矿、食品、制药等。 他的特点是:颗粒(离散相)被气体或液体(连续相)夹带和输运。颗粒和流体介质之间存在质量,动量和能量传递,而且颗粒之间,颗粒和固体壁面也发生碰撞。 模拟颗粒流的数值方法 颗粒相和流体相可以在不同的长度尺度上模拟,通常分为2类:宏观方法(连续介质)和微观方法(离散介质) Fluid – Resolved E
Q 数值仿真的参数优化 优化,就是寻找最优解。如何定义最优解? 通过数学的方式来定义,比如最小化/最大化某个目标函数。优化是数学和物理相结合的一门学科:数学是优化的工具,物理是优化的实质。 CFD参数优化指的是,以流体相关的变量(如流阻、效率、换热系数等)为优化目标的,基于自由形状、尺寸参数、物性参数、边界条件等参数的优化。 按照优化目标的数量可分为:单目标或多目标优化(MOO-Multi Obj
市场部
影响力
粉丝
内容
获赞
收藏
    项目客服
    培训客服
    1 3