什么是流-固耦合 如何模拟多体机构呢?

针对很多设计方案技术工程师来讲,仿真模拟多体组织与周边流体的相互影响是一项趣味但具备趣味性的每日任务。依靠 COMSOL® 手机软件 中的流体–多体相互影响多物理学场耦合接口,我们可以轻轻松松地处理该类难题。文中大家根据一个实例详解了怎样运用该接口对多体组织中的流-固耦合开展仿真模拟。

一、什么叫流-固耦合?

一切一个固态和流体中间相互影响的多物理学场难题,都归属于流-固耦合?(FSI)。一般,当固态构造与流动性的流体触碰时,流体会对构造的边界施压和粘性力,造成 构造形变;相反,形变后的构造又可以做为流体的挪动壁边界,并更改势流。流体与固态中间的相互影响能够 是单边的(单边耦合)或双重的(双重耦合)。流-固耦合剖析的目地是测算构造中的地应力和应变力及其流体流动性的速率和工作压力场。

大部分处理流-固耦合难题的基本剖析或数值计算方法都很繁杂,而 COMSOL Multiphysics® 手机软件具备轻轻松松耦合不一样物理学场接口的作用,简单化了模型工作中。COMSOL Multiphysics 出示了一组预订义的多物理学场接口,这种接口能够 将不一样的理论力学接口(比如固体力学,多体动力学模型,壳 和 膜)与不一样的流体流动性接口(单相电或多组分流动性)相耦合,用以流-固耦合仿真模拟。

除开分别的理论力学和流体流动性接口以外,这种预订义的流-固耦合接口的每一个接口还包括一个多物理学场耦合接口。在手机软件中,流体流动性难题被界定在挪动网格(空间坐标系)上,而固体力学难题被界定在原材料平面坐标上。除此之外,应用随意拉格朗日-欧拉(ALE)方式,能够 将形变的固态构造设定为边界标准以跟踪挪动网格。多物理学场耦合连接点根据测算挪动网格、原材料的形变及其传送到构造的流体力来耦合流体和固态构造。

二、不一样的流-固耦合计划方案

COMSOL Multiphysics 能够 仿真模拟不一样种类的流-固耦合动力学模型系统软件。比如,一些流-固耦合系统软件很有可能存有构件中间的相对速度很大,而在另一些状况下,构件中间的相对速度能够 忽视。手机软件出示了 2 种不一样的作用,用以处理不一样的流-固耦合多物理学场耦合难题:流-固耦合;流-固耦合,固定不动几何图形

针对大部分一般的流-固耦合难题,流-固耦合作用以仿真模拟构件中间挪动相对性较小的系统软件。在这种仿真模拟中,实体模型中的流体和固体物理场接口很有可能会共享资源边界。我们可以在 COMSOL Multiphysics 里将实体模型几何图形设定为全部几何图形零件的联合,它是手机软件默认设置的几何图形编码序列设定。根据下列好多个实体模型实例,包含流体流动性中的梁震动,球形止回阀和微泵原理,我们可以详尽掌握怎么使用手机软件的流-固耦合作用。

假如必须对多体组织与周边流体的相互影响开展仿真模拟,在其中每个构件中间很有可能会相对滑动或大幅度挪动(如飘浮设备,风力发电机叶子或直升飞机叶子周边的气旋),大家就可以应用 COMSOL 中的“流体-多体相互影响”作用轻轻松松处理该类难题。针对这类状况,系统软件的几何图形样子务必是安装体情况,以解决安装体边界处较大幅的相对速度,随后在流体和多体组织边界中间互相载荷的边界对上特定力的大小。

三、怎样仿真模拟多体组织中的流-固耦合

在这节中,大家将各自详细介绍怎么使用手机软件的流-固耦合,对作用,及其预订义的多物理学场接口开展模型。如前所述,COMSOL Multiphysics 具备 2 个加上了固体力学和流体流动性接口的预订义流-固耦合接口。除此之外,还内嵌了在其中一个多物理学场耦合接口。在这种多物理学场接口中,流体-多体相互影响,安装 接口内嵌了流-固耦合,对 作用,关键用以仿真模拟多体组织与周边势流中间的相互影响。

我们可以根据实体模型导向性在流体流动性连接点下的流-固耦合接口目录中加上流体 接口。这时候,实体模型里将加上一个预订义的层.流 接口、多体动力学模型 接口及其具备流-固耦合,对作用的多物理学场耦合连接点,另外还包括挪动网格 连接点和形变域 子连接点。假如一开始沒有挑选此预订义接口,在模型全过程中大家仍能够 将多体动力学模型和流体流动性物理学场接口耦合在一起。

在实体模型导向性中加上“流体-多体相互影响,安装”接口。加上多物理学场接口后,“这时,能够 应用多体动力学模型 接口仿真模拟刚度或形变的安装构造中的动力学模型难题,并应用单相电流接口或多组分流接口仿真模拟流体流动性。

加上 “流体-多体相互影响,安装” 接口后的 “实体模型开发设计器” 页面。如前所述,假如要应用流-固耦合,对多物理学场耦合作用,大家必须在安装情况下建立实体模型几何图形构造。在安装情况下建立几何图形时,有一个选择项能够 对坐落于同样几何图形部位,但归属于安装体中独立零件的边界全自动建立边界对。

我们可以根据 设定 对话框中的建立对 勾选框来完成,该勾选框在邻近边界对中间建立一致对。全部这种对都列在流–固耦合,对 作用下的 对挑选 一部分。理想化状况下,在这里目录中,大家只必须挑选在固态域和流体域中间有关的对。可是,即便挑选了全部对,流–固耦合,对 作用也会全自动忽视没有固相边界和流体边界中间的对。

因为流体域与邻近固态域的相互影响,而在流体域中造成的几何图形转变是根据随意拉格朗日-欧拉(ALE)方程组模型的,因而,在挪动网格连接点下加上了 形变域 作用。默认设置状况下,此连接点的挑选为空,但我们可以将其设定在产生很大几何图形转变的流体地区。

不一样的边界标准可用以特定挪动网格边界的健身运动。根据多物理学场耦合作用中的一些内嵌自变量,我们可以依据构造的动力学模型特性,为挪动边界挑选适合的边界标准,并将固态偏移的有关份量传送到室内空间架构。比如,应用特定网格偏移 边界标准将邻近固态的健身运动传送到挪动的网格,使网格边界的偏移相当于一致对所相匹配的固态边界。

四、仿真模拟液浸组织中的流-固耦合

受大自然中很多流-固耦合系统软件的启迪,技术工程师设计方案了各式各样的试验和工业生产运用组织,如液浸组织实体模型(COMSOL 案例中的实例实体模型)。该实例仿真模拟了浸入在流体安全通道中的机械设备设备的健身运动,类似微生物菌种依靠尾端的健身运动构造开展游水或往前健身运动。

该实体模型演试了在流动性安全通道中含有2个软性板翅式刚体的健身运动。根据铰骨节将翅片联接至管理中心刚体,进而容许其在平面图旋转。组织根据板翅式紧紧围绕管理中心刚体在一定時间内按照规定的转速比健身运动。流体安全通道的速率场和室内空间健身运动平面坐标(即形变座标)中的工作压力由不能缩小纳维-斯托克斯方程组叙述。根据多体动力学模型 接口对结构组件开展模型。根据向流体构件分派形变域,将流体地区中的几何图形转变列入实体模型。

特定网格偏移 边界标准能够 将固态偏移迁移到除开后斜面之外的全部流体边界,因而应用了内嵌自变量(fsip1.u_solid, fsip1.v_solid, and fsip1.w_solid),该自变量将网格边界的偏移设定为一致对所相匹配的固态边界。在固态的反面,因为板翅式的转动健身运动,固态和流体边界中间的触碰总面积持续转变。在这种边界处释放特定反向网格偏移 边界标准,能够 使网格在切线方向上随意挪动,并将反向偏移设定为固态反向偏移,因而,应用了反向偏移自变量,un_solid = fsip1.u_solid*(nX) fsip1.v_solid*(nY) fsip1.w_solid*(nZ)。

与联合的网格不一样,在安装体中,对两边的网格节点很有可能不持续。因为模块的面和连接点不同样,因而有时候很有可能会危害精密度,尤其是当做对的有关模块尺寸相距很大时。假如想在对的两边都具备同样的网格,能够 将网格从一侧拷贝到另一侧。这时,当组织沿x轴往前挪动时,网格沿健身运动方位拉申。假如偏移很大,则很有可能获得高宽比形变的网格。在这类状况下,大家必须考虑到再次网格划分网格以转化成新的网格。

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