ADINA FSI 流固耦合模块

流固耦合(FSI)发生在流体流动对结构产生变形的时候,结构变形反过来又会改变流体流动的边界条件。下面的动画描述的是薄膜阀的流固耦合分析。这个案例中,流体压强引起薄膜的变形,同时变形会导致流动边界的改变。 中仿ADINA提供特有的FSI模块,可以在同一系统中模拟流体和因大变形、非弹性、接触及温度而经历明显的非线性响应的结构之间完全耦合的物理现象。一个完全耦合的流固耦合模型意味着固体的力学响

  • 产品版本: ADINA V9.04

流固耦合(FSI)发生在流体流动对结构产生变形的时候,结构变形反过来又会改变流体流动的边界条件。下面的动画描述的是薄膜阀的流固耦合分析。这个案例中,流体压强引起薄膜的变形,同时变形会导致流动边界的改变。

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中仿ADINA提供特有的FSI模块,可以在同一系统中模拟流体和因大变形、非弹性、接触及温度而经历明显的非线性响应的结构之间完全耦合的物理现象。一个完全耦合的流固耦合模型意味着固体的力学响应将会很大程度地影响流体域变化,反过来流体的作用力也会施加到结构上。

在流体力学层面,Navier-Stokes流可以是不可压缩,弱可压缩,低速或者高速可压缩流体。从结构的角度看,各种结构单元类型都可以参与FSI过程(即壳单元,2D和3D结构单元,梁单元,等参梁单元,接触面等),支持各种材料模型、支持各种非线性物理过程如材料失效、单元生死、结构失稳、相变等等。此外,中仿ADINA还提供了针对流体是势流理论的完全耦合的流固耦合模型。

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中仿ADINA流固耦合模块的原理

中仿ADINA将领先的计算固体力学和计算流体力学算法相结合,集成特有的FSI模块。对于流体模型,用户可以选择基于节点的FCBI(Flow-Condition-Based Interpolation)算法和基于单元的FCBI-C算法进行单元的定义。

FCBI单元算法:基于速度自由度的FCBI算法用于提高稳定性。有限元方程可通过Newton-Raphson迭代组装一致的雅克比矩阵来求解。因此在流固耦合系统中建立一致的刚度矩阵可以解决实际中极为复杂的非线性响应问题。

FCBI-C单元算法:所有的求解变量定义在单元中心,速度和压力之间的耦合会迭代处理。因此在FCBI-C单元算法的流固耦合分析中,结构模型和流体模型之间的耦合也是迭代处理的。这种算法可用于解决大规模实际问题。

 

这两类算法均可应用于从低到高任何雷诺数的流体问题。

一旦流体域任何部分发生变形,欧拉方法将不再适用。因此,中仿ADINA的流体控制方程采用的是任意拉格朗日欧拉(Arbitrary-Lagrangian-Eulerian (ALE))公式。

中仿ADINA流固耦合模块的独特性体现在使用了两类不同的耦合方法,即直接FSI耦合法和迭代FSI耦合法求解流固耦合模型。在这两种方法中,沿流固界面的位移和力都是保持一致的。

位移平衡,                df = ds 

力平衡,                     ff = fs 

这里,d和 f分别表示位移量和拖曳力,下标f和s表示流体和固体。在瞬态分析中,类似前面展示的主动脉瓣模拟就使用的是二阶时间迭代算法。

直接FSI耦合

在直接FSI耦合求解法中,流体方程和结构方程是联合起来在一个方程组(一个刚度阵)中求解的,线性化和求解使用迭代算法如Newton-Raphson迭代算法。直接FSI耦合法为求解复杂的FSI问题提供了强大的算法,比如,“软”结构在轻微压力下产生大变形或高可压缩流冲击到结构的表面等非常复杂的问题,而这类问题用迭代耦合法求解会比较困难。

迭代FSI耦合

流体方程和固体方程是分别连续求解的,各自更新得到的信息提供给另一部分。计算时迭代法比直接法占用内存小,因此可以用于求解大规模问题。

中仿ADINA所提供的这两种特殊的耦合方法-迭代FSI和直接FSI,对于高效地求解各类不同的FSI问题是必不可少。


ADINA流固耦合的特点

1. FCBI((Flow-Condition-Based Interpolation))算法提供了很高的稳定性,适用于从低雷诺数到高雷诺数的各种问题

2. FSI分析可以实施于各种流体类型,包括不可压缩,弱可压缩,低速或者高速可压缩流体。另外,所有的流体材料模型包括非牛顿流体,湍流模型和VOF法都可用于FSI分析。

3. 势流体单元可以用于声波的分析,也可以用于结构和声波的耦合分析。

4. ADINA允许流体模型和结构模型使用任意的网格。并且,流体和结构的网格在流固耦合界面上不需完全匹配。

5. 在分析FSI模型时还可求解热和多孔介质的耦合。

6. 所有的结构单元,接触和结构材料模型(如弹性,粘弹性,橡胶,塑料等)都可以用于FSI求解。

7. 在流体模型中可以使用间隙边界条件-gap边界条件。在中仿ADINA中,可将gap边界条件与接触功能联合使用,以成功模拟汽车和生物医学领域中的阀门的关闭和开启现象。

8. FSI可以使用移动网格技术来分析旋转设备和涡轮机械。

9. 自动单向流固耦合分析是一种有效的方式。这种分析用于结构变形很小且流体的影响可以忽略不计的工程问题中,因此不需要在流体和结构模型之间迭代。

10. 全三维流场的动网格技术,包括参数化动网格和全适应性网格重划分技术,从而为不同的流体域生成最适合的网格尺寸,提高求解精度和效率。


应用领域:

  • 静电场

  • 静磁场

  • DC电流传导

  • AC电流传导

  • 时谐分析

  • 边电流

  • 洛伦兹力

  • 电磁-热耦合

  • 波导

  • 电磁-流体耦合



典型案例:

尖锐材料界面问题的谐波分析

    下面的例子展示了ADINA电磁模块在求解尖锐材料界面时的能力,即界面相邻的材料属性差异非常大的情形。外层区域材料是不导电的,而内层区域材料具有很高的电导率。由于两种材料差异很大,在材料界面处电磁场会发生突变。处理该问题时,ADINA电磁分析模块对每个区域都采用E-H公式求解,而不是不同的区域用不同的公式来求解。

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尖锐材料界面问题:电场强度E的矢量图;实部(左)和虚部(右)

 

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尖锐材料界面问题:磁场强度H的矢量图;实部(左)和虚部(右)

 

管道中玻璃液的电磁诱导混合问题

    电磁搅拌和混合是典型的多物理场现象。将ADINA电磁模块和ADINA CFD模块耦合使用,即可模拟管式混合器中电磁驱动下的对流混合问题。在该例中,两个电极放置在柱形管道的导电流体内,其时变电压所产生的洛伦兹力会驱动流体搅拌和混合,此外整个装置还处于外部的恒定磁场中。由于洛伦兹力的影响,搅拌与混合发生在垂直于流体流向的平面上。

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电势分布

 

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电磁诱导混合:入口处的速度矢量图

时谐磁场激励下带有裂缝的环形导体涡流分析

    外部的谐波磁通作用于导体而产生涡电流,环形导体有四个等深度的裂缝,这些裂缝会改变无裂缝时的电磁场,这种检测就是电磁无损检测的基本原理。建模时,由于对称性,仅模拟整个区域的1/8。这类三维时谐涡电流问题将使用ADINA电磁分析模块的公式求解。下图分别展示了切面上电场和磁场强度的实部与虚部,可以看出裂缝的存在的确改变了电场和磁场的方向和大小。

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环形导体涡电流:电场强度E矢量图;实部(左)和虚部(右)

 

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环形导体涡电流: 磁场强度H;实部(左)和虚部(右)