本文原刊登于Ansys Blog：《How Fluid-Structure Interaction Works and Why it’s Important》

作者：Marisa Melchiorre | Ansys產品營銷經理

Steve Defibaugh | Ansys產品營銷經理

1940年7月，塔科馬海峽大橋（Tacoma Narrows Bridge）在華盛頓州西雅圖的南部建成。該橋梁橫跨吉格港與塔科馬兩地，是當時美國第三長的懸索橋。根據彈性分布設計，中等級別的風力會讓這座海峽大橋有幾英尺的起伏。然而，大橋的形狀迫使空氣在其結構上方和下方流動，導致流動分離和渦旋脫落。

1940年11月7日，強風引起橋體顫振，使橋主梁發生變形，導致大橋坍塌，設計中的空氣動力學不穩定性引發了災難。而如果在橋梁設計的時候考慮到流固耦合，則可以添加開放式桁架來支撐橋面，同時使風順利地通過。

什么是流固耦合？

流固耦合（FSI）是流體流動與固體結構的相互作用。想象一下讓渦輪葉片旋轉起來的一陣風、在波浪中行駛的船體或急速掠過F1賽車前擾流板的氣流。只要流體和結構相遇，就會發生流固耦合 (FSI)。

同時使用Ansys Fluent與Ansys Mechanical，可以仿真流固耦合，比如這面在風中飛舞的Ansys旗幟

FSI如何影響產品設計和性能？

了解FSI對于許多產品的設計至關重要。如果不考慮流體與固體之間的相互影響，則會導致產品性能估計不準確。這樣，最終的產品設計可能會導致意料之外的結果，包括惱人的噪聲和產品完全失效。

無論是設計橋梁、飛機還是燃氣輪機，了解流固耦合如何影響您的項目至關重要，您需要一款能夠準確預測和集成這兩種行為的解決方案。

FSI的應用

飛機設計：當飛機飛行時，機翼周圍的氣流會導致機翼發生變形（這反過來又會改變空氣流動的方式，使機翼發生更嚴重的變形）。解決機翼設計中的FSI問題可顯著提高飛機的空氣動力學性能。

血流建模：為了評估動脈瘤中血管堵塞的影響，FSI可說明血壓和流速如何影響血管的收縮擴張能力和粗細變化。

聲音預測：當氣流經過汽車時，引擎蓋和后視鏡等表面會產生振動并將聲音輻射到車內。通過解決這些FSI問題，工程師可調整設計，以降低噪聲并提高乘客舒適度。

多物理場仿真在FSI中的作用

在FSI影響到產品之前，您就可以通過多物理場仿真進行預測和預防。

例如，如果您想了解湍流和壓力變化如何影響水輪機的完整性，您的分析離不開Ansys Fluent和Ansys Mechanical仿真提供的數據。但是單獨使用這些仿真，會發生難觀全局的情況，只會表現局部的情況。不過，當他們通過Ansys Workbench進行集成時，您將能夠最準確地預測這兩種物理場會如何相互影響。

Workbench不僅可在仿真求解器之間自動交換數據，為您提供無縫的工作空間，而且還包含高級網格映射技術，可確保從計算流體動力學（CFD）到有限元分析（FEA）之間的精確數據轉換，無需手動輸入數據、編寫代碼或交換數據文件。更少的手動輸入可顯著減少錯誤，因為當您設置了CFD和FEA仿真后，只需拖放操作即可將所有內容都傳輸到同一空間中。

您需要執行單向還是雙向FSI仿真？

建模方法因流體和固體之間的物理耦合程度以及所需的保真度而異。對于涉及剛體運和共軛傳熱的應用，可以忽略變形情況，并且完全在CFD求解器中高效解決該問題。

當必須考慮應力和變形問題時，流體和結構仿真可進行耦合，以便在求解器之間傳輸數據，用于單向或雙向耦合仿真。

如何執行單向FSI仿真

通過直接鏈接CFD和FEA仿真，可在Workbench中輕松執行單向仿真。具體操作方法是，只需簡單的拖放任務，即可自動連接仿真的幾何結構和求解單元。

如何執行雙向FSI仿真

通過將CFD和FEA仿真與系統耦合鏈接，可執行雙向仿真。本視頻介紹了如何在Fluent中創建單向仿真，并通過Workbench的Mechanical轉換為雙向仿真的過程。Workbench可創建簡單直接的協同仿真，使得雙向數據交換成為可能。

使用FSI進行預測和預防

FSI仿真通過預測流體流動和固體結構之間的相互作用，幫助工程師避免可能影響性能并導致產品故障的危害。

審核編輯：湯梓紅