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【流体】| Fluent双向流固耦合实例 - 竖板震荡仿真

此案例是ANSYS自带帮助文档里,关于双向流固耦合仿真的例子,作为耦合仿真入门的案例,是挺不错的。

本文仿真软件:Transient Structural + Fluent

案例描述:

高1m,厚度0.06m的弹性板固定在地面上,在开始的0.5s时间内,对板一面施加100Pa的力,板子受力后弯曲。然后撤销力,板子会回弹不断震荡。四周是无风状态。现在仿真此板子的受力运动过程引起附近空气的震荡,以及空气阻力对版子运动状态的影响。 

一、Workbench平台搭建

启动workbench软件,在软件左侧的Toolbox中调出三个模块到软件右侧的Project Schematic窗口中:Transient Structural ,Fluid Flow (Fluent)以及System Coupling。它们之间的数据连接如下图所示。 

二、固体力学仿真

2.1 在workbench界面,双击A2 Engineering Data。在打开的软件界面中,在A4单元格输入新材料名字“plane”,然后将左侧Toolbox的Density和Isotropic Elasticity两个属性用鼠标左键拖进A4单元格“plane”中,在软件正下方出现这两个参数设置。 

将新建的plane材料设置为默认的固体材料。右键A4单元格“plane”>“Default Solid Material For Model”。然后关闭Engineering Data软件界面,返回workbench界面。

2.2 导入几何。鼠标右键A3 Geometry >Import Geometry > Browse,打开“oscillating_plate.agdb”几何文件所在位置并导入。几何文件在文末有下载链接。然后双击打开A3 Geometry,进入Geometry软件界面。生成几何并Suppress流体域“Fluid”。然后关闭Geometry软件界面,返回workbench界面。 

2.3 网格划分。在workbench界面上,双击A4 Model,打开网格划分界面。对板子划分结构网格,在XYZ方向分别划分1、10、4个网格节点。由于几何简单,此处不详细列出网格划分方法。可以参考本ANSYS help文档此案例的网格划分。 

2.4 固体力学仿真参数设置。仿真时间是10s,每个时间步是0.1s。 

插入固定面。在网格划分软件界面左侧右键Transient(A5) >Insert > Fixed Support,固定面选择Y轴方向最低面。 

插入流固耦合面。在网格划分软件界面左侧右键Transient(A5) >Insert >Fluid Solid Interface,面选择Y轴方向最高面以及X轴方向两个面,共三个面。

插入初始压力受力面。在网格划分软件界面左侧右键Transient(A5) >Insert >Pressure,面选择X轴方向最低面。受力情况设置为前0.5s为100Pa,0.51s到10s为0Pa。 

插入对称面。在网格划分软件界面左侧右键Model(A4) >Insert >Symmetry。此时Outline窗口新出现了一个Symmetry,右键此Symmetry>Insert >Symmetry Region。对称面为Z轴方向的两个面。 

关闭网格划分软件界面并返回到workbench界面,对A5 Setup单元格右键> Update。

此时,以及完成了固体力学仿真的设置。

三、流体仿真设置

3.1 流体域网格划分。在workbench界面双击B3 Mesh单元格,打开Meshing界面。Suppress固体域,只保留Fluid流体域。 

边界命名。操作方法:在图形窗口中,选中面,然后鼠标右键Create Named Selection。按下图所示进行命名。 

网格全局尺寸设置。 

插入网格划分方法。在软件界面左侧的Outline窗口下的Mesh,右键>Insert > Method。 

生成网格,在软件界面左侧的Outline窗口下的Mesh,右键>Generate Mesh。生成网格如下。保持project并退出网格划分软件界面。 

3.2  在workbench界面中双击打开B4 Setup,打开Fluent界面,选择单核双精度。

3.3 求解器操作:软件左侧Solution Setup > General,选择 Transient 非稳态。

3.4 材料设置:软件左侧Solution Setup > Materials > Air,双击打开,设置Density为1,Viscosity为0.2。

模型不用改,默认的层流模型。

3.5 边界条件:确定inlet边界类型为velocity-inlet;outlet边界类型为pressure-outlet; sym1和sym2边界类型为symmetry,其余保持默认的wall边界类型。

3.6 设置计算域动网格:软件左侧Solution Setup > Dynamic Mesh 

边界动网格设置。软件左侧Solution Setup > Dynamic Mesh,在Dynamic Mesh Zones下面点击 Create/Edit。

设置sym1边界如下。 

设置sym2边界如下。 

设置bottom,inlet,outlet和top边界如下。 

设置fsiwall边界为流固耦合面。 

3.7 离散方法设置。 

3.8 初始化,软件左侧Solution > Solution Initialization,选择Standard Initialization为初始化方法,点击Initialize按钮。

自动保存设置,软件左侧Solution > Calculation Activities,在Autosave Every (Time Steps) 输入框中输入 2。

计算迭代设置,设置时间步,其实这里时间步设置没啥用,耦合计算时会以在耦合系统设置的时间步为准。 

关闭并退出Fluent,流体力学仿真设置完成。

4、耦合设置。

在workbench界面中,双击打开C2 Setup,打开耦合设置软件界面。

4.1 设置仿真条件。 

4.2 设置耦合面。 

4.3 设置输出频率。 

开始计算。 

五、后处理

5.1 耦合迭代RMS如下: 

5.2 竖板顶部随时间变化位移量如下: 

5.3 板子在4s时刻位置如下: 

5.4 板子在5.8s时刻位置如下: 

5.5 在10s内的动画如下:

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