什麼是流體-結構相互作用？

流固耦合 (FSI) 描述的是流動的流體與可移動或變形的固體結構交互作用的任何現象。流體流動的作用力 (以壓力或剪應力的形式呈現) 可導致固態物體改變形狀或進行剛體運動。而固態物體形狀或運動的變化，則可以改變流體的流場。FSI 是一種多物理交互作用，涉及流體動力學和固體力學。

工程師使用模擬工具和測試來研究流體與固體的交互作用，並藉以理解流體在產品周圍或經過產品時的實際交互作用。如果變形幅度太大或發生太頻繁，這些交互作用可能會影響所設計或維護的產品效能及穩健性。車輛行駛經過的風切音、商用機機翼在飛行中的上下動作，或是心臟輸送血液的動作，都是 FSI 在現實世界中的範例。在嚴重的情況下，FSI 可能導致結構故障、人身傷害或死亡。1940 年，在美國因空氣彈力現象發生的塔科馬海峽吊橋崩塌，以及 1965 年時，英國因強風紊流發生的渡橋發電廠冷卻塔倒塌，皆是廣為人知的範例。一種比較常見且同樣可能引發問題的 FSI 就是水錘效應，因水管內部水壓遽增而造成的巨大撞擊聲。

工程師結合計算流體力學 (CFD) 和有限元素分析 (FEA) 軟體工具來建立 FSI 模型，以預測當負載跨越固液界面傳輸，或是當固液界面的形狀或位置發生變化時，兩個域的動作。由於耦合演算法的進步和運算效能的增強，FSI 分析的應用已逐漸增加。 

一個系統所承受的 FSI 類型，取決於固體物所經過的結構變形類型，以及每種物理對系統中其他物理的影響程度。 

流固耦合中的單向與雙向耦合

FSI 研究涉及的是作用力如何從流體轉移到固體，以及兩個域物理特性因其交互作用而產生的變化。工程師將耦合分為以下兩類。

• 單向 FSI 耦合

最常見的單向 FSI 耦合類型，也稱為弱耦合，是當系統將作用力從流體流動轉移到固體，但固體的反應對流體流動行為的影響可忽略不計。這通常是因為固體變形的距離相對於造成變形的流體體積來說較小。賽車上的尾翼就是一個單向 FSI 耦合的好例子。氣流流經尾翼會對尾翼產生下壓力，但尾翼剛硬度夠高，所以下壓力不會改變尾翼形狀。

單向 FSI 也可能發生於物體向流體或從流體得到動能，導致流體域的速度和壓力變化，但物體的形狀或物體穿過周圍流體的運動未發生顯著變化之時。電風扇就是一個很好的例子。風扇葉片的運動會增加空氣流經風扇的速度，但不會顯著改變葉片的形狀。

單向 FSI 模擬會將 CFD 模擬解出的壓力和剪力套用至 FEA 結構模型的固液界面，接著，求解結構域中的應力和應變，或將固體在固液界面的速度作為 CFD 模型的邊界條件。在這兩種情況下，作用力或速度都只能從一個域轉移到另一個域。

• 雙向 FSI 耦合

最常見的雙向 FSI 耦合形式，也常稱為強耦合，是當流體域施於固體物的作用力，使固體物變形到足以改變流體的壓力或流速之時。這些變化就會改變流體的作用力，這些壓力則改變偏轉和運動，最終改變流動。

雙向 FSI 模擬使用演算法，將實體物的偏轉傳回 CFD 模型。有時，當這些變化足夠大時，流體範圍的網格就會變形而不再有效。此時軟體會使用稱為「重新網格劃分」的自動化程序來重新生成網格。在最極端的情況下，流體域的拓撲會隨著流路開啟或關閉而改變。

雙向模擬可以使用兩種不同的方法，隨著模型時間步階而在 CFD 和 FEA 求解器中的解之間進行迭代。在顯式或循序方法中，負載和偏轉在每次時間步階僅傳輸一次。隱式或同步方法則同時求解流體和結構模擬、交換負載和變形，然後在相同時間步階再次求解，直到求解收斂為止。這時系統才會進入下一個時間步階。

顯式方法的設定較簡單，使用的電腦資源較少，因為每次迭代只需求解一次。然而，其穩定性不如隱式方法，且模型可能會發散。大多數工程師在模擬強耦合系統時，會選擇隱式工作流程，希望獲得比顯式方法更高的準確度。

結構變形類型

工程師對流固耦合問題進行分類的另一種方法，就是辨別結構域所經歷的變形類型。模擬工具的使用者會利用這些資訊來判斷正確的建模方法，以及 CFD 和 FEA 求解器之間交換資料應使用的演算法。

最常見的變形類型包括：

• 小變形

結構域位移較小的模型使用單向模擬。此方法先求解 CFD 模型，然後將作用力套用至結構模型。這種情況不需要改變流體結構介面的形狀。

• 小振動

有時，流體流動中的振盪會對系統的結構部分彈性表面週期性施加小幅度的作用力，而其固體部分會呈現振動反應。然後，此振動會產生聲波，並在不改變整體流動特性的情況下於流體中傳播。空氣動力學工程師將這種流體結構交互作用稱為聲音結構交互作用(ASI)。

在流體力學中，壓力波會在管道或導管中共振，導致固體元件產生振動。這種振盪即稱為水錘。ASI 和水錘都會產生噪音，且有時會造成結構元件疲勞。

• 大變形

當固體域的偏轉或運動足夠大，可以改變流體流動時，則需要雙向 FSI。此外，工程師可能需要設定模擬，以使用各種方法來扭曲 CFD 和 FEA 網格，甚至在兩個域皆重新劃分網格幾何。變形或運動的速度也會影響每一輪求解迭代的時間步階大小。

• 大振盪變形

當流體作用力的變化激發結構中的自然頻率時，系統可能會經歷較大的振盪。隨著流體流動為系統增加更多能量，振盪幅度可能會進一步增加。空氣動力學家稱此種耦合為空氣彈性。 

塔科馬海峽吊橋崩塌就是空氣動力學負載激發結構振動增大，導致結構故障的一個例子。

• 剛體運動

複雜的雙向流固耦合也可能發生在不會變形但具有動量的結構元件上。這種剛體運動仍需要對流體域進行雙向耦合和重新網格劃分。 

• 本體負載引起的變形

因重力或電磁場產生的本體負載加上熱應變，可能會使固體域變形而影響 FSI 系統。致動器和驅動軸也會在結構域上施加負載。在生物系統中，肌肉的舒展和收縮會驅動體內的流體運動。工程師應確保他們理解並考慮 FSI 模型中的所有本體負載。

其他具有流固耦合的物理

當模擬包含流體或結構域中的其他負載時，FSI 系統會成為較複雜的多物理模擬。此類型的一個常見例子就是流體微機電系統 (MEMS) 裝置。它們透過將電氣、靜電、磁性、散熱、流體和結構物理整合至單一裝置來運作。

工程師在 FSI 研究中最常加入的物理是共軛熱傳遞。此類模擬使用由 CFD 計算的溫度和速度，來判斷固體和流體域之間的熱通量。 

流固耦合在許多產業的各種系統皆存在，但其中有幾種系統較特別，因為流體流動為其產品不可或缺的一環。FSI 在以下列出的產業中，於提升強健性和最佳化效能方面扮演了重要角色。

航空航太

如果您曾經從噴射客機的窗戶向外看過機翼的移動結構，您就已經看過具有大變形的雙向 FSI 耦合。航太產業生產許多可在大氣層中移動的裝置，使 FSI 成為其設計和維護的重要環節。當航太飛行器的行駛速度超越音速和衝擊波的速度時，會產生巨大作用力，使流體和固體域之間的交互作用變得額外重要。

一些航太工程師重視的流固耦合常見範例包括：

• 機翼的空氣彈性
• 備用燃料槽和武器等物體從飛機上掉落的剛體運動
• 物體在空氣中的彈道軌跡
• 控制表面上的負載
• 降落傘和滑翔傘的膨脹
• 油箱中燃油的漂移
• 火箭噴嘴上的聲學和空氣動力學負載

汽車

汽車也在空氣中移動，並透過其驅動系統與空調系統來移動液體和氣體。如果您曾經駕駛有天窗的車輛，那麼您在特定速度聽到的抖動聲音，就是流固耦合。大多數在汽車產業中的 FSI 都是單向，因為汽車結構通常是剛體。

生物醫學

人體是一個複雜的流體結構系統，其中許多結構元件都具具有彈性。心臟腔室和心臟瓣膜都是自然系統中流體固體交互作用的絕佳範例。心臟肌肉收縮和展開會改變心臟腔室的容積，增加血壓而迫使血液通過心臟瓣膜。心臟瓣膜具有可開啟和關閉的彈性瓣膜，以開放或阻擋血液流動。當心臟腔室內的壓力升高時，瓣膜會開啟，壓力下降時則關閉。 

使用 PyAnsys-Heart 工具對人類心臟進行生物醫學 FSI 模擬的範例

土木結構

建築物、橋樑和其他土木結構會與風和水交互作用，表現出流固耦合現象。非常高樓層的建築物在強風中不僅會擺動，還會經歷雙向 FSI，因為它們運動時會改變風的流動模式。

綠色科技

在綠色科技的產品中，兩大最常見的 FSI 範例就是太陽能板和風力發電機的動作。太陽能板方面，若是固定或剛性面板就是單向 FSI 耦合，若是彈性面板或使用致動器調整位置，則是雙向 FSI 耦合。風力發電機葉片具有彈性，會因重力和風力負載而彎曲，且會旋轉以改變受風方向。

渦輪機械

通過渦輪機械的空氣或蒸汽會與裝置內部的靜態和旋轉固體元件交互作用。工程師使用 FSI 模擬來評估空氣彈性、強制振動、閥門和密封。渦輪機械的 FSI 研究非常複雜，因為速度、溫度和壓力皆高。

流體系統

許多產品都有用於控制流經裝置或機器的液體和氣體流動的系統。在流體系統中使用的大多數閥門、密封件、感測器和幫浦，都至少會經歷單向流體-固體交互作用，並且可能使用雙向 FSI 耦合來執行其預定工作。

模擬流固耦合很困難，因為它涉及模擬兩種不同的物理，需由使用者以最佳方式設定和執行，且兩者之間的耦合處理也可能很複雜。以下列出最常見的挑戰，以及一些關於克服這些挑戰的建議。

為每種物理挑選正確的工具

在進行 FSI 模擬時，挑選合適的 CFD 和結構 FEA 模擬工具是第一個挑戰。使用者需要一款易於使用、具有正確的數值方法組合的流體模擬工具，以捕捉流體域的行為、有效求解並且支援 FSI。舉例來說，使用渦輪機械的使用者通常會選擇 Ansys CFX 計算流體力學軟體，因為此軟體的功能對於該產業的助力強大。工程師對其他類別的問題進行建模時，往往會專注於 Ansys Fluent 流體模擬軟體，因為此軟體具有廣泛的紊流模型、強大的網格劃分和重新網格劃分功能，以及先進的 CFD 功能。

在結構方面，使用者需要一個穩健且通用的平台，例如 Ansys Mechanical 結構有限元素分析軟體，能準確建模線性和非線性的固體材料和幾何，並提供精密的負載和業界最廣泛的功能。使用者應選用具備易用且可程式化使用者介面的工具，且應支援單向和雙向 FSI 建模。

一個用於連接獨立物理的全方位工具的良好例子為 Ansys System Coupling 物理求解器連線軟體。它提供單向和雙向耦合、指令碼、資料對應和資料交換功能。流體-固體交互作用使其成為工程師模擬此類系統耦合的熱門工具。

擁有流體和結構領域的專業知識

流體和結構模擬截然不同，CFD 和結構模擬的工具之間的差異亦然。有些工程師對這兩個領域都有深入的瞭解，但通常僅熟悉其中一個領域，對另一方僅有初步的知識。解決此問題的一種方法，就是透過同樣的供應商挑選兩種工具，如 Ansys；Ansys 還提供完整的訓練課程和網路研討會，可協助使用者快速熟悉這兩種物理。此外，如果工具組提供腳本功能，例如用於 Ansys 軟體的 PyAnsys Python 存取工具，讓專家可為這兩種物理設定自動化。 

然而，尋找領域專業知識的最佳方式，是與您不熟悉領域的專家一同合作。然後利用模擬資料管理工具，例如 Ansys Minerva 模擬流程和資料管理軟體，來協同合作並追蹤模型和執行。

決定使用單向還是雙向耦合

有時，一個特定的流固耦合問題應使用單向還是雙向耦合，並不明確。有疑慮時，最好的方法就是從單向著手，因為求解較簡單也較有效率。如果需要雙向耦合的解，再改用雙向。

處理數值不穩定性

有些 FSI 情況並不穩定，或是建模時可能使用了錯誤的網格或設定，導致不收斂。在這種情況下，最好使用如 Ansys 產品組合這樣的工具，利用其中提供的多種數值方法進行穩定化，及其完整的訓練和支援。

存取充足的運算資源

CFD 模擬本身需要大量運算資源。當搭配結構 FEA 執行運用時，就可能會佔用大量資源，尤其是用於雙向隱式耦合之時。為因應這種情況，請確保您選用能支援高效能運算的求解器，例如 Ansys CFX、Fluent 和 Mechanical；這些求解器能透過平行處理和圖形處理單元有效擴充。另外，考慮使用雲端型 HPC 資源，例如 Ansys Cloud，以在需要時提供所需容量。

相關資源