基于COMSOL的三维渡槽流固耦合分析 原创

关键词：COMSOL；U形渡槽；流固耦合；有限元分析

流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者相互作用的一门科学。

任何一个固体和流体之间相互作用的多物理场问题，都属于流-固耦合（FSI）。通常，当固体结构与流动的流体接触时，流体会对结构的边界施加压力和黏性力，导致结构变形；反之，变形后的结构又可以作为流体的移动壁边界，并改变流场。流体与固体之间的相互作用可以是单向的（单向耦合）或双向的（双向耦合）。流-固耦合分析的目的是计算结构中的应力和应变以及流体流动的速度和压力场。

大多数解决流-固耦合问题的常规分析或数值方法都很复杂，而 COMSOL 软件具有轻松耦合不同物理场接口的功能，简化了建模工作。COMSOL Multiphysics 提供了一组预定义的多物理场接口，这些接口可以将不同的结构力学接口（例如固体力学，多体动力学，壳 和膜）与不同的流体流动接口（单相或多相流动）相耦合，用于流-固耦合模拟。

图1 COMSOL流固耦合分析

【模型信息】U形过水断面半径和设计水深为3m，建立三维简支渡槽模型如下图所示。

图2 三维渡槽模型

【层流&力学参数设置】耦合接口选择层流和固体力学，耦合类型为全耦合，设置水流速为0.02m/s，在渡槽端部底面设置简支约束。对模型施加重力加速度g。

图3 流固耦合参数设置

【优化结果云图】提取耦合后的速度，位移和应力云图。

图4 流体压强分布和流速分布云图

图5 渡槽结构应力和变形云图

由上图可以看出，在全耦合的条件下，入口渡槽端部结构的应力较大，变形较大位置也均出现在此处，对于受力较为集中位置可适当细化网格密度。渡槽结构下的流体充分发展流动且出入口的选择对于整个结构的受力尤为重要。

【注】本次模型设置较为复杂，其中CAD三维模型导入COMSOL的细节处理，层流区域和后处理过程较为复杂，文中并未展示完全。

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