什么是流固耦合？

流固耦合（FSI）是指流动流体与可移动或可变形固体结构相互作用的现象。流体流动产生的作用力以压力或剪切力形式表现，其可能会使固体物体改变形状或发生刚体运动。固体物体形状或运动的变化反过来又会改变流体流场。FSI是一种涉及流体动力学和固体力学的多物理场相互作用。

工程师通过仿真工具和测试来研究流固耦合，并了解流体在产品周围流过或流经其产品时，在真实环境中所产生的相互作用。这些相互作用可能会影响他们正在设计或维护的产品的性能，而且如果变形过大或过于频繁，还会影响产品稳定性。经过汽车的风噪声、飞机飞行时机翼颤振或心脏泵血过程，都是真实世界的FSI实例。严重时，FSI可能会导致结构失效、人员受伤或死亡。1940年塔科马海峡大桥因气动弹性颤振而坍塌，1965年费里布里奇发电站因风湍流而倒塌，这是两个广为人知的示例。可能导致失效的更常见FSI形式是水锤效应，这是由管道中突如其来的水压引起的剧烈撞击声。

工程师可将计算流体力学（CFD）和有限元分析（FEA）软件工具相结合，创建FSI分析流程。当载荷在流体-固体界面上传递或者流体-固体界面形状或位置发生变化时，FSI模型可预测流体域和固体域的行为。由于耦合算法的改进以及计算性能的提高，FSI分析的使用正在增加。 

系统经历的FSI类型取决于固体物体承受的结构变形类型，以及每个物理场对系统中其它物理场的影响程度。 

流固耦合中的单向耦合与双向耦合

FSI研究涉及作用力从流体向固体的传递，以及两个域相互作用导致的、这两个域的物理特征变化。工程师将这种耦合分为以下两类。

• 单向FSI耦合

单向FSI耦合（也叫弱耦合）最常见的类型是，系统将作用力从流体流动传递至固体，但固体响应对流体流动行为的影响可以忽略不计。这通常是因为固体的变形位移相对于导致该变形的流体体积较小。赛车尾翼就是单向FSI耦合的一个很好示例。尾翼上的气流会对尾翼产生下压力，但尾翼具有足够的刚度，因此下压力不会改变尾翼的形状。

物体的运动从流体中传递或提取动量时，也会发生单向FSI，这会改变流体域的速度和压力，但不会在穿过周围流体时对物体形状或运动产生明显的变化。电风扇就是一个很好的示例。风扇叶片的运动会在不显著改变叶片形状的情况下，增加空气流经风扇的速度。

单向FSI仿真将求解CFD仿真的压力和剪切力施加到FEA结构模型的流体-固体界面，然后求解结构域中的应力和应变，或者将流体-固体界面的固体速度用作CFD模型的边界条件。在这两种情况下，作用力或速度只会从一个域传递至另一个域。

• 双向FSI耦合

最常见的双向FSI耦合形式通常也叫强耦合，发生条件为：固体物体上的流体域作用力导致的固体变形足以改变流体的压力或速度。这些变化随后会改变流体作用力，从而改变结构的挠度和运动，进而反过来改变流动状态。

双向FSI仿真用算法将固体物体的变形传回CFD模型。有时在这些变化明显到一定程度时，流体覆盖范围的网格就会变形，进而失效。软件将使用一个称为网格重新划分（即remeshing）的自动化流程来对网格进行重新划分。在最极端的情况下，流体域的拓扑结构会随通道的开启和关闭发生变化。

随着模型的不断发展，双向仿真可使用两种不同的方法在CFD求解器和FEA求解器的求解之间进行迭代。在显式或顺序耦合方法中，载荷和位移每个时间步仅传递一次。隐式法或同步法可同时求解流体和结构仿真，交换载荷和位移，然后在同一个时间步内再次求解，直至求解收敛。系统随后会移动到下一个时间步。

每次迭代只有一个求解，因此显式法设置更直观，使用的计算机资源也更少。不过，它没有隐式法稳定，并且模型可能会发散。为强耦合系统建模时，大多数工程师会选择隐式工作流程，以获得比显式法更高的准确性。

结构变形类型

工程师对流固耦合问题归类的另一种方法是，通过确认结构域承受的变形类型。仿真工具的用户使用该信息来确定正确的建模方法，以及用于在CFD求解器和FEA求解器之间进行数据交换的算法。

最常见的变形类型包括：

• 小变形

结构域位移较小的模型，可采用单向流固耦合仿真。这种方法会先求解CFD模型，然后将作用力施加到结构模型上。这种情况无需修改流体结构界面的形状。

• 小振动

流体流动中的振荡有时候会对系统结构部分的柔性表面施加微弱的周期性作用力，而且固体部件会做出振动响应。这种振动会产生声波，这些声波会在不改变整体流动特征的情况下，在流体中传播。空气动力学工程师将这种流固耦合现象称为声固耦合（ASI）。

在流体动力学中，压力波会在圆管或管道中产生共振，从而导致固体组件振动。这种振荡叫水锤效应。声固耦合和水锤效应都会产生噪声，而且有时会导致结构组件疲劳。

• 大变形

在固体域的形变或运动很大、足以改变流体流动时，就需要采用双向FSI。此外，工程师可能还需要在仿真中采用相应方法，对CFD及FEA网格进行变形处理，甚至对这两个域中的几何结构重新进行网格划分。另外，变形或运动的速度也会决定每次求解器迭代的时间步长大小。

• 大振荡变形

在流体作用力的变化激发结构的固有频率时，系统可能会出现大幅振荡。在流体流动给系统增加更多能量时，这些振荡可能会进一步增强。空气动力学家将这类耦合称为气动弹性。 

塔科马海峡大桥坍塌，就是气动载荷激励结构振动最终导致结构失效的一个示例。

• 刚体运动

没有变形但有动量的结构组件，也会出现复杂的双向流固耦合。这种刚体运动仍需采用双向耦合，并对流体域进行重新网格划分。 

• 体载荷引起的变形

重力或电磁场的体载荷加上热应变，会让影响FSI系统的固体域变形。执行器和传动轴也会对结构产生力学载荷。在生物系统中，肌肉的松弛和收缩会让体内的流体流动。工程师应确保理解并考虑到了其FSI模型中的任何体载荷。

流固耦合的其它物理场

当仿真中包含流体或结构域中其它载荷时，FSI系统将变成更复杂的多物理场仿真。流体微电机系统（MEMS）器件就是其中一个常见的示例，其通过将电气、静电、磁、热、流体和结构物理场耦合在一个器件中来实现功能。

在FS研究中，工程师最常添加的一种物理场是共轭传热。这类仿真通过CFD计算出来的温度和速度来确定固体域和流体域之间的热通量。 

流固耦合现象发生在不同行业的众多系统中，但在一些行业尤为突出，因为流体流动是其产品不可或缺的重要组成部分。在下面的行业中，FSI在提高稳健性和优化性能方面发挥着重要作用。

航空航天

如果您从客机窗口观察到机翼在飞行中发生运动和变形，那您其实已看过有大变形的双向FSI耦合现象。航空航天行业会生产大量需要穿越大气层的设备，因此FSI是其设计维护的重要方面。当航空航天器飞行速度超过音速而且爆震波形成时，流体域和固体域之间的相互作用会变得尤为关键，其会产生巨大的作用力。

工程师通常关注的一些航空航天流固耦合的示例有：

• 机翼的气动弹性
• 副油箱和武器等物体从飞机上释放的刚体运动
• 物体在空中的弹道运动轨迹
• 作用在操纵面上的载荷
• 降落伞和翼伞的充气
• 油箱中的燃油晃动
• 火箭喷管上的声学载荷及气动载荷

汽车

汽车同样也在大气环境中行驶，并且在其动力系统和空调系统中输送液体和气体。驾驶带天窗的汽车时，会有这样的经历：在一定速度下行驶，您会听到阵阵风噪声时，那就是流固耦合。汽车行业中的大多数FSI均为单向耦合，因为汽车结构通常是刚性的。

生物医学

人体是一个复杂的流固系统，系统中的诸多结构组成部分均为柔性的。心室和心瓣膜都是自然系统流固耦合的绝佳示例。心肌通过收缩与舒张改变心室的容积，以此增大血压，迫使血液通过瓣膜。心脏瓣膜具有灵活的瓣叶，其通过开合对血流的通阻进行调控。其中，瓣叶会在心室内的压力升高时打开，在压力下降时合上。 

使用PyAnsys Heart工具对人类心脏进行生物医学FSI仿真的示例

土木结构

楼宇、桥梁以及其它土木结构会与风和水相互作用，出现流固耦合现象。高层建筑不仅会在强风中晃动，而且还会经历双向FSI，因为它们会在晃动时改变风场分布。

清洁能源技术

FSI在清洁能源技术产品中最常见的两个示例是太阳能电池板和风力机的行为。太阳能电池板既可以是单向FSI耦合，也可以是双向FSI耦合：当电池板不移动并为刚性时，为单向；当电池板可以弯曲或通过执行机构进行位置调整时为双向。风力机的叶片为柔性，不仅会因重力和风力载荷而弯曲，而且还会通过旋转来改变自身与风的方向。

涡轮机械

流经涡轮机械的空气或蒸汽会与设备内部的静态及旋转固体组件相互作用。工程师通过FSI仿真来评估气动弹性、受迫振动、阀门和密封件。涡轮机械的FSI研究非常复杂，因为其速度、温度和压力都很高。

流体系统

许多产品均具有相应的系统，来控制通过设备或机器的液体和气体流动。流体系统中使用的大多数阀门、密封件、传感器和泵，至少会经历单向流固耦合，并且可能会使用双向FSI耦合来执行其预期任务。

对流固耦合进行仿真很难，因为它涉及对必须合理设置和优化求解的两种不同物理场进行建模，而且处理其耦合关系可能很复杂。这里列出了一系列最常见的挑战，并为克服这些挑战提出了一些建议。

为每个物理场选择正确的工具

在进行FSI仿真时，选择正确的CFD及结构FEA仿真工具是第一项挑战。所选的流体仿真工具必须简单易用，并提供正确的数值方法组合来捕获流体域行为，能高效求解并支持FSI。例如，涡轮机械领域的用户通常会选择Ansys CFX计算流体力学软件，因为它面向该行业提供了强大的功能。需要为其它类型问题建模的工程师，目光通常会聚焦在Ansys Fluent流体仿真软件上，因为它具有一系列广泛的湍流模型、稳健的网格划分和网格重新划分技术，以及先进的CFD功能。

在结构方面，用户需要一款强大的通用平台，如Ansys Mechanical结构有限元分析软件，其能够准确地对线性及非线性固体材料和几何结构进行建模，并提供复杂载荷功能以及全面的分析能力。所采用的工具还应具有易用性和可编程的用户界面，这样才能为单向及双向FSI建模提供有力支持。

一个将独立物理场连接起来的综合性工具的典型例子是Ansys System Coupling物理求解器连接软件，它提供单向及双向耦合、脚本、数据映射和数据交换功能。流固耦合能力使其成了工程师仿真这类具体系统耦合的领先工具。

具有流体和结构领域的专业技术

流体和结构仿真截然不同，CFD及结构仿真工具也是如此。一些工程师对这两个领域都有深入的理解，但他们通常在一个领域中有优势，而在另一个领域只有一定程度的了解。解决这个问题的一种方法是，选择来自同一提供商（例如Ansys）的上述两种工具。Ansys还会提供综合培训课程和网络研讨会，帮助用户快速了解这两个物理场。此外，如果该工具集提供脚本功能，例如PyAnsys这种为Ansys软件提供Python接口的工具，专家就可以为两个物理场都设置自动化流程。 

然而，获得专业领域知识的最佳方式，是与您不熟悉的领域的专业人士进行协作。随后，使用仿真数据管理工具（如Ansys Minerva仿真流程和数据管理软件）来进行协作，并对模型和计算进行跟踪管理。

在单向耦合和双向耦合之间做决定

我们有时并不清楚具体的流固耦合问题需要采用单向耦合还是双向耦合。这时，最好先采用单向耦合，因为它更简单，求解更高效。之后，如果求解显示需要双向耦合，则进行更换。

处理数值不稳定性

一些FSI情况不稳定，或者模型可能由于网格划分或参数设置错误而导致不收敛。在这种情况下，最好使用类似Ansys产品组合这样的工具，其不仅可提供多种数值稳定化方法，而且还可提供综合培训与支持。

获得充足的计算资源

CFD仿真本身的计算成本高昂。与结构FEA计算耦合时，它们可能会占用大量的资源，尤其是采用双向隐式耦合方法时。为了解决该问题，须选择支持高性能计算的求解器，如Ansys CFX、Fluent和Mechanical，这些求解器可通过并行处理和GPU实现良好扩展。此外，还可以了解如何使用云端HPC资源（如Ansys Cloud）在必要时提供所需的容量。

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