基于ANSYS 12.0平臺，深入解析流固耦合分析實例

多年ANSYS實際科研與工程經驗的總結

免費下載典型流固耦合分析實例的命令流文件

經過幾十年的發展，計算機數值分析已經逐漸從科學研究領域走進工業應用領域。其中，作為計算機數值分析中的兩個重要分支，計算固體分析和計算流體分析逐漸完善和成熟，目前已經廣泛地應用于機械、航空、造船、建筑、電子等各種行業。全國各大高校相關專業也都陸續開設了有關結構分析和流體分析的專業課程，如有限元法（FEM）、計算流體力學（CFD）等。

隨著理論和應用的不斷發展和融合，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作用下的各種行為以及固體變形對流場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很早便開始流固耦合分析方面的研究和應用。其先后并購和組合了流體仿真中的著名軟件CFX和FLUENT，使得新開發的ANSYS Workbench有能力在不需要第三方軟件的情況下，實現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用已經證明，通過ANSYS Workbench進行流固耦合分析操作簡單、計算迅速、結果可靠。

盡管如此，輔助和培訓教材的缺失仍然極大地制約著初學者對流固耦合分析的學習、掌握和使用。即使非常精通結構分析和流體分析的研究人員和工程師也時而對流固耦合分析中的關鍵步驟一頭霧水。本書不涉及系統理論以及具體算法的介紹，而是從實際應用角度出發，通過大量的工程分析實例，向讀者細致地講解流固耦合分析。全書共分5章，從基礎開始講解，層層深入到ANSYS單向流固耦合分析、雙向流固耦合分析，以及動網格和網格重構技術。為了讓讀者能夠更好地理解ANSYS流固耦合分析的工程應用，本書還詳細講解了4個工程實例。

第1章：流固耦合分析基礎，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知識。

第2章：單向流固耦合分析，主要講解單向流固耦合分析的應用。

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用。

第4章：CFX和FLUENT動網格分析，主要講解大變形情況下的流體網格重構。

第5章：流固耦合工程實例，主要介紹4個實際工程項目中的流固耦合分析。

需要注意的是，本書中的實例都在ANSYS 12.1版本中完成。其中，大多數使用的是ANSYS Workbench平臺，即在ANSYS Workbench中建立結構分析和流體分析系統的方法；少數例子使用CFX+ANSYS Workbench，或者FLUENT+ANSYS Workbench，或ICEM CFD+CFX/ FLUENT +ANSYS Workbench等組合軟件。目前，ANSYS已有最新版本發布，經過驗證，本書中所有例子在ANSYS最新版本上也運行良好，并不影響讀者學習并參照這些實例來解決自己所遇到的工程問題。另外，為了最大限度地簡化不必要過程和幫助讀者多方面體驗ANSYS的各種技巧，除了工程實例中的分析，其他分析演示中，很多方面如網格精度、邊界條件、材料屬性等的設置都與實際情況有所出入，讀者可學習參考，但切不可直接拷貝應用。

本書特色

 貼近工程實際——本書的實例多從實際工程、科研項目中提煉出來，具有很強的參考價值，其中包括熱應力、水壓、旋轉域turbo建模、周期邊界、燃燒、熱應力、血管壁耦合、模態分析、流體沖擊、自由頁面、結構振動、活動域、大變形Remesh、FLUENT Remesh 6 DOF等方面的技術或問題。

 配套模型文件下載——為了方便讀者更有效地學習，本書還配套提供模型文件的下載，網址為http://www.waterpub.com.cn/softdown/及http://www.hzxbc.cn，這樣讀者學習起來效率更高。

致謝與分工

本書由宋學官、蔡林和張華編寫，其中宋學官主要側重于CFX模塊的耦合分析，蔡林主要側重于FLUENT模塊的耦合分析，張華主要側重于旋轉機械部分的分析模擬。全書由宋學官統稿。

感謝成都道然科技有限責任公司為本書策劃與質量控制所做的大量工作，同時感謝南京藍深制泵集團股份有限公司給予的協助，感謝中國仿真互動網（www.Simwe.com）各位朋友的熱情支持。在本書的編輯過程中，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、張強林、張代全、萬雷、王斌、江廣順、李強、余松、郭敏、董茜、陳鯤、王曉、李曉寧、丁佳、虞志勇、吳艷。在本書創作期間獲得中國水利水電出版社老師的大力支持，正是他們的辛苦付出，才使得本書能夠在第一時間面向讀者。若讀者在學習過程中發現問題或有更好的建議，可以通過www.dozan.cn/bbs與我們聯系。

由于時間倉促，作者水平有限，書中錯誤、紕漏之處難免，敬請廣大讀者批評指正。

編 者

2011年12月

前言

第1章 流固耦合分析基礎 1
1.1 流固耦合基礎 1
1.1.1 認識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 耦合面的數據傳遞 7
1.2.4 網格映射和數據交換類型 9
1.3 ANSYS流固耦合分析的基本步驟 9
1.3.1 CFX + Mechanical APDL單向
耦合基本設置 10
1.3.2 FLUENT+ANSYS單向耦合
基本設置 11
1.3.3 通過 Mechanical APDL Product
Launcher設置MFX分析 12
1.4 本章小結 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 14
2.2 三通管的熱強度計算 16
2.2.1 問題描述 16
2.2.2 ICEM CFD劃分三通管流場網格 16
2.2.3 利用CFX求解三通管流場 19
2.2.4 利用Workbench進行三通管
熱強度分析 25
2.3 風力發電葉片及支架整體分析 29
2.3.1 問題描述 29
2.3.2 幾何模型處理 30
2.3.3 流場網格劃分 31
2.3.4 流體分析設置 33
2.3.5 開始流體計算 38
2.3.6 流體計算過程中的參數監控和修改 40
2.3.7 查看流體計算結果 41
2.3.8 結構分析的模型處理 44
2.3.9 結構網格劃分 45
2.3.10 加載與求解 46
2.4 軸流葉片的應力分析 48
2.4.1 問題描述 49
2.4.2 創建分析項目 50
2.4.3 BladeGen中葉片的設計 50
2.4.4 TurboGrid結構網格劃分 57
2.4.5 流體分析設置 60
2.4.6 流體計算和結果查看 61
2.4.7 Static Structural(ANSYS)結構分析 62
2.5 燃燒室流場計算及熱變形分析 66
2.5.1 問題描述 66
2.5.2 ICEM CFD劃分燃燒流場網格 66
2.5.3 利用FLUENT求解燃燒流場 70
2.5.4 NOX排放量預測 77
2.5.5 Workbench進行結構分析 81
2.6 水流沖擊平板分析 86
2.6.1 問題描述 86
2.6.2 創建分析項目 86
2.6.3 建立幾何模型 88
2.6.4 流體分析 88
2.6.5 結構分析 93
2.7 泥漿攪拌器預應力下的模態分析 96
2.7.1 問題描述 96
2.7.2 創建分析項目 96
2.7.3 Fluent流場分析 98
2.7.4 結構分析 109
2.8 本章小結 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 117
3.2 血管和血管壁耦合分析 119
3.2.1 問題描述 119
3.2.2 創建分析項目 119
3.2.3 結構分析設置 123
3.2.4 流場模型處理 124
3.2.5 流體分析設置 126
3.2.6 求解計算和結果監視 130
3.2.7 查看流體計算結果 132
3.2.8 查看結構計算結果 133
3.2.9 創建動畫文件 135
3.3 泥漿沖擊立柱分析 137
3.3.1 問題描述 137
3.3.2 創建分析項目 138
3.3.3 添加新材料（concrete） 139
3.3.4 建立模型 140
3.3.5 結構分析設置 141
3.3.6 流場模型處理 143
3.3.7 流場網格劃分 143
3.3.8 流體分析設置 144
3.3.9 求解和計算結果 151
3.4 飛機副翼轉動耦合分析 156
3.4.1 問題描述 157
3.4.2 創建分析項目 157
3.4.3 選用新材料（Aluminum Alloy） 158
3.4.4 導入模型 159
3.4.5 結構分析設置 159
3.4.6 流場模型處理 164
3.4.7 流場網格劃分 164
3.4.8 流體分析設置 166
3.4.9 求解和計算結果 171
3.5 圓柱繞流耦合振動分析 175
3.5.1 問題描述 176
3.5.2 ICEM CFD劃分流場網格 177
3.5.3 無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 水潤滑橡膠軸承分析 191
3.6.1 問題描述 191
3.6.2 利用ICEM劃分水膜網格 192
3.6.3 利用Workbench完成結構設置 195
3.6.4 流體分析設置 199
3.6.5 開始計算及計算結果監測 202
3.6.6 查看水膜流場結果 203
3.7 本章小結 204
第4章 ANSYS 動網格技術應用 205
4.1 動網格分析基礎 205
4.2 大變形網格重構功能分析 206
4.2.1 問題描述 207
4.2.2 網格劃分和腳本錄制 207
4.2.3 流體分析設置 211
4.2.4 求解和計算結果 217
4.3 FLUENT Remesh 6DOF分析 220
4.3.1 問題描述 220
4.3.2 FLUENT 6DOF UDF的編譯 221
4.3.3 FLUENT查看流場結果 230
4.3.4 利用Tecplot進行流場后處理 230
4.4 本章小結 234
第5章 ANSYS流固耦合工程實例 235
5.1 某型號離心泵分析 235
5.2 問題描述 236
5.2.1 網格劃分 236
5.2.2 流體分析設置 237
5.2.3 結構分析設置 245
5.3 泄壓閥動態特性分析 253
5.3.1 問題描述 253
5.3.2 創建CFX分析項目 256
5.3.3 流體分析設置 256
5.3.4 求解計算和結果監視 263
5.4 止回閥動態分析 266
5.4.1 問題描述 266
5.4.2 FLUENT DEFINE CG_Motion UDF的
編譯 267
5.4.3 止回閥動網格的編譯 267
5.4.4 壓力進口UDF編寫 269
5.4.5 FLUENT止回閥流場求解設置 269
5.4.6 流場后處理 275
5.5 滑動軸承玻璃軸瓦強度分析 277
5.5.1 問題描述 278
5.5.2 FLUENT分析滑動軸承油膜流場 278
5.5.3 油膜流場結果后處理 283
5.5.4 流場與結構分析耦合 285
5.5.5 結構分析設置 286
5.5.6 結構求解及結果分析 289
5.6 本章小結 291
參考文獻 292

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