ADINA流固耦合建模方法
ADINA流固耦合建模方法
ADINA流固耦合建模方法ADINA流固耦合建模方法是一种综合考虑流体和固体相互作用的建模方法。
它结合了计算流体力学（CFD）和有限元力学（FEM），能够模拟和分析各种流体与固体相互作用的现象，如流体对结构的冲击、振动和与固体结构的热传导等。
1.定义流体区域：首先，需要在模型中定义流体的几何形状和流体域。
可以使用ADINA提供的几何建模工具或者导入已有的CAD文件来创建流体区域。
2.定义流体边界条件：在流体区域中定义流体的边界条件，如流体的入口速度、出口压力、壁面摩擦等。
可以通过给定边界条件来模拟各种流体流动情况。
3.网格划分：将流体区域划分为离散的网格单元，以便进行数值计算。
ADINA提供了自动划分网格的工具，也可以手动调整网格单元的大小和形状。
4.定义固体区域：在流体区域中定义固体的几何形状和固体域。
可以使用ADINA提供的几何建模工具或者导入已有的CAD文件来创建固体区域。
5.定义固体的边界条件：在固体区域中定义固体的边界条件，如固体的材料属性、固体的初始应力等。
根据具体问题，可以指定不同的边界条件。
6.载荷施加：在固体区域中施加外部载荷，如重力载荷、声压载荷等。
这些载荷将影响固体结构和流体流动的耦合过程。
7.运行求解器：通过ADINA的求解器对流固耦合建模进行求解。
求解器将同时考虑流体流动和固体结构的相互作用，求解固体受力平衡、流体流动动量方程等。
8.分析结果：根据求解结果，可以分析固体结构的变形、应力分布，以及流体流动的速度、压力等。
ADINA提供了丰富的结果分析工具，如绘制流线、应力云图等。
ADINA流固耦合建模方法能够模拟和分析多种流固耦合问题，如流体力学冲击载荷下的结构响应、流体流动对结构振动的影响、流体流动中的温度变化等。
它在航空航天、汽车工程、水利工程等领域具有广泛的应用。
通过ADINA流固耦合建模方法，可以提前发现和解决流固耦合问题，优化设计方案，提高产品的可靠性和性能。
流体流固耦合分析手册
5
第一章 计算流体力学概述
（3）
能量守恒方程。能量守恒属于经典的热力学定律。流体微团单位质量的能量 （由化学反应 即总能 E 包括内能 e 与动能 V ⋅ V 。合力所做的功、热传导、 等引起的）生成热都引起总能的变化。
1 2
1.3.1 预备知识 流体速度 u = (u1 , u2 , u3 ) ，u1 , u2 , u3 分别表示 x,y,z 方向上的速度分量。 ρ 是密度， p 是压强， T 是热力学温度。 若有过点 x = ( x1, x2 , x3 ) 的面积微元 dS ，单位法向量为 n 。 在 [t , t + dt ] 内沿 n 方向流过 dS 的流体体积为 u ⋅ ndSdt 在 [t , t + dt ] 内沿 n 方向流过 dS 的流体质量为 ρ u ⋅ ndSdt 在 [t , t + dt ] 内沿 n 方向流过 dS 的流体动量为 ρ u(u ⋅ n)dSdt =
下面用一个简单的例子来说明牛顿流体和非牛顿流体的差别。ADINA 的操作步骤参见 第二部分。
2
第一章 计算流体力学概述
例 1 分别考虑两个平行板间的牛顿流体和非牛顿流体，如下图所示，给出流体速度大小为 10m/s。
v
先考虑牛顿流体 流体参数为常参数模型，密度为 1 kg / m ，粘度为 0.04 N ⋅ s / m 2 。
流体流固耦合分析 手册
ADINA 中国代表处 Copyright © 2007
第一章 计算流体力学概述
第一章 计算流体力学概述
1.1 计算流体力学概述
计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称 CFD）是以计算机作为模拟手段， 运用一定的计算技术寻求流体力学各种复杂问题的离散化数值解的计算方法。 计算流体力学可以看作是对基本守恒方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方 程）控制下的流动过程进行数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内 的各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）分布，以及这些物理量随时间 的变化情况。 计算流体力学、理论流体力学、实验流体力学是流体力学研究工作的三种主要手段。理 论分析具有普遍性， 各种影响因素清晰可见、 为实验和计算研究提供依据。 对于非线性情况， 只有少数问题能给出解析解。 实验研究仍是研究工作的基石， 数值研究的许多方面都密切依 赖于实验研究提供数据； 计算结果需由实验验证； 观察实验现象分析实验数据以建立计算模 型等等。数值模拟是特殊意义下的实验，也称数值实验，它比起实验研究，经济效益极为显 著。三种手段既互相独立又相辅相成。 近年来，由于实际工程设计对于流体计算提出越来越高的要求，计算流体力学在明显 地突破传统的单纯流体的观念， 各种涉及到复杂物理现象的流体问题求解方法是计算流体力 学发展的主要趋势，这些复杂现象是涉及热传递、多物质流动、相变、流固耦合体系求解、 变边界（变流动区域） 、湍流模拟等等。 从工程角度看，流体力学研究的起因通常是基于对各种工程结构的设计需要，例如分 析飞机机翼在气流作用下随机摆动问题的目的，是要求流场计算结果要对机翼的非稳态振 动、强度特性提出明确的力学设计指标。因此可以说，对于相当多的流体计算问题，实际上 我们需要知道的是一个耦合力学系统的响应特性－流固耦合体系特性， 尽管这是一个更为复 杂的计算体系。流固耦合（Fluid-Structure Interaction，简称 FSI）计算方法的开发和应用是 目前工程计算流体力学发展的重点领域，也是计算流体力学指导工程设计的直接途径。 计算流体力学的发展和计算机硬件求解能力、工程设计需求高速增长密切相关，可以 肯定地说计算流体力学在未来的研究领域和工程领域， 都会越来越走向实用化， 越来越发挥 不可或缺的作用。
基于ADINA的混流式水轮机流固耦合分析
合 界 面 ，建 立 了 混 流 式 水 轮 机数 值 模 型 。通 过 Ａ Ｉ Ａ 软件 平 台 ，采 用 流 固耦 合 模 块 ，实 现 了 转 轮 叶 片 与 内部 流场 耦 ＤＮ 合 的模 拟 ，得 到 了 转 轮 结 构 的应 力 应 变 、流场 的压 力 、流 速 和 ｋ ｓ分 布 。 － 关 键 词 ：Ｒ Ｇ 湍 流 ：流 固耦 合 ：混 流式 水 轮 机 ＡＮ
（ｃｏｌ ｆ ｎ ｒ ｎ ｎｉ ｎ ｎ， ｉｕ ｎｖｒ ｔ Ｃ ｅ ｇｕＳ ｈ ａ １０ ９ Ｓ ｈｏ ｏ ｅｇ ａｄＥ ｖｒ ｍｅｔＸｈ ａＵ ｉｅｓｙ ｈｎ ｄ ｉ ｕｎ６０ ３） Ｅ ｙ ｏ ｉ， ｃ
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Ｒｅ ｎ ｌ ｓ ｓｒ ｓ ｑ ａ ｉｎ ｎ ＮＧ ｕ ｂ ｌｎ ｅ 一 ｄ ｌａ ｈ ｏ ｅ ｎｎ ｑ ａｉ ｎ ．ａ ｄ ｔ ｅ ｆｕｄ ｓ ｕ ｔ ｒ ｎ ｅ ａ ｔ ｎ ｙ ｏｄ ｔｅ ｓ ｅ ｕ ｔ ｓ ａ ｄ ＲＡ ｏ ｔ ｒ ｕ ｅ ｃ ｓ ｍｏ ｅ ｓ ｔ ｅ ｇ ｖ ｒ ｉ ｇ ｅ ｕ ｔｏ ｓ ｎ ｈ ｌ ｉ —ｔ ｃｕ ｅ ｉ ｔｒ ｃ ｉ ｒ ｏ ｍｅ ｈ ｄ ｔ ｔ ｃ ｈ ｉ ｔｒ ｃ ｉｎ ｓ ｒ ｃ ．Ｂ ｓ ｄ ｎ ｔ ｅ ｔ ｏ ｏ ｒ ｅ ｔ ｅ ｎ ｅ ａ ｔ ｕ ｆ ｅ ａ ｅ ｏ ｈ ＡＤＩ ｓ ｆ ａ ｅ ｐ ａｆ ｒ ａ ｏ ａ ＮＡ ｏｔ ｒ ｌ ｔ ｍ，ｔ ｅ ｆ ｗ ｆ ｌ ｏ ｒ ｎ ｉ ｕ ｂ ｎ ｓ ｗ ｏ ｈ ｏ ｅｄ ｆ Ｆ ａ ｃ ｓ ｔ ｒ ｉ ｅ ｗａ ｌ ｉ
基于ADINA的梭式止回阀流固耦合性能分析及优化
（ ｅ ａ ｏａ ｒ ｆ ｅｔ ｇＴ ｃ ｎ ｌ ｙｆ ｎ ｆｃ ｒ ｇＰｏｅｓ ｎｓ ｄ ｃｔ ｎ Ｓ ｈ ｏ ｏ ａ ｕａ ｔｒ ｇ Ｋ ｙ ｂｒｔ ｏ ｓ ｎ ｅｈ ｏｏ ｒ Ｌ ｏ ｙ Ｔ ｉ ｇ ｏ Ｍａ ｕａｔ ｉ ｒｃｓ Ｍｉｉ ｒ ｏ Ｅ ｕ ａｉ ，ｃｏ ｌ ｆ ｎ ｆｃｕ ｎ ｕｎ ｔ ｆ ｙ ｏ Ｍ ｉ Ｓ ｉ ｃ ｎ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｓｕｈ ｅｔ ｎｖｒｉ ｆ ｃ ｎ ｅａｄＴ ｃ ｎ ｌ ｙ Ｍｉ ｙｎ ２ ０ ０ Ｃ ｉａ ｃｅ ｅａ ｄＥ ｇｎ ｅ ｎ ，ｏ ｔ ｓ Ｕ ｉ ｓ ｙｏ ｉ ｃ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ， ａ ａ ｇ６ １ １ ， ｈｎ ） ｎ ｉ ｗ ｅ ｔ Ｓｅ ｏ ｎ
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ｌ 【 要】 摘 梭式止回阀作为管道非能动技术的关键组成部分 ， 可以在无人力或外加动力驱动下 自 动实 ｉ现管道系统的安全保障作用， 可以有效地降低输流管道中意外事故的发生。 围绕大口 径梭式止回阀的流固 ；耦合性能数值分析展开， ＤＮ 以Ａ ＩＡ软件为平台， 建立梭式止回阀的流固耦合有限元模型， 对管道流场进行 ｌ动态分析， 出了 给 数值模拟计算数据。 根据分析结果 ， 对梭式止回阀的结构设计提 出了 优化方案 ， 使梭式止 》回阀在管道流体中的运动流场更趋于平稳， 从而有利于提高梭式止回阀的使用寿命及安全性。 ； 关键词 ： 梭式止回阀； ＤＮ ； Ａ ＩＡ 流固耦合 ； 输流管道
Ｏ ｆ ＡＤＩ ＮＡ－ｂ ｓ ｄ ｓ ｕｔ ｐ ｈ ｃ ａｖ ａ ｅ ｈ ｔ ｅ ｔ ｅ ｃ ｅ ｋｖ ｌｅ ｌ ｙ
流-固耦合的数学模型
流-固耦合的数学模型
流固耦合是指流体和固体之间相互作用的现象，它涉及了流体
动力学和固体力学两个领域。
建立流固耦合的数学模型可以帮助我
们更好地理解和预测这种复杂的相互作用。
在数学上，建立流固耦合的模型可以采用多种方法。
首先，我
们可以使用偏微分方程描述流体的运动，如Navier-Stokes方程，
同时使用弹性力学方程描述固体的变形。
然后，通过适当的边界条
件和相互作用条件，将这两个方程耦合在一起。
这种耦合可以通过
将流体和固体的速度、压力、位移等物理量在流固界面上进行匹配
来实现。
另一种建立流固耦合模型的方法是使用有限元法或有限体积法。
这些方法可以将流体和固体的运动方程离散化，然后通过相互作用
界面将它们耦合在一起。
这种方法在工程实践中得到了广泛的应用，因为它可以处理复杂的流固耦合问题，并且可以考虑到材料的非线性、大变形和接触等现象。
除了数值模拟方法，还有一些解析方法可以用于建立流固耦合
的数学模型，如边界元法和格林函数法。
这些方法在特定情况下可
以给出精确的解，但通常适用于简单的流固耦合问题。
总之，建立流固耦合的数学模型涉及到流体力学和固体力学的基本方程，以及适当的边界条件和相互作用条件。
通过合理地耦合这些方程和条件，我们可以得到描述流固耦合行为的数学模型，从而更好地理解和预测流体和固体之间复杂的相互作用。
基于ADINA的隔膜流固耦合分析研究
生产产量 。
【 参考文献】
［］ １ 曹世海． 加热炉燃烧控制 系统 的几项改进措施叨． 自动化， ０ ， ） ８ ５ ． 冶金 ２ ２（ ： — ０ ０ ４４ ［］ ２张晶涛， 钱晓龙， 王伟， 张莉， 天佑． 柴 步进式加热 炉燃烧控制 的新 方法嗍． 制 控 与决策． ０ ． １ （ ． ２ １ ． ３ ０ ５６） ［］ ３张元福加 热炉空， 比自寻优模糊控制器研究［． 燃 Ｊ山东冶金， ０ ，） 】 ２ ０５． ０ （
压力低时。 保护步进梁， 为 煤气也能紧急 切断。 煤气切断 后自 动进行氮
在实际操作 中 ， 当出现下列情况之一时 ， 为了保证人员和设备 在 炉温 控制系统里 ， 考虑 到控制功能 的连续性 ， 由于烘炉 时温 度 气吹扫。 较低 ， 升温时间短 ， 常规 的温度控 制不稳定 ， 反应 慢 ， 在该项 目里增 加 的安全 ， 燃烧控制 自动切 断或者 自 动锁定或继续。 另外 ， 一个在操作 台 了程序 升温功能 ． 通过设定升温的方式 、 升温 的温度 、 温的时间来 进 上会启动语音报警及声光报警 升 行程序升温控制 ， 通过程序来 自动调节各 区域 的煤气流量 ， 通过 温度 切断条件 ： 检测来进行调整 。 控制功能如图 ３所示 ， 中，Ｉ ： 其 ＴＣ炉温控制器 ， ＦＣ Ｇ Ｉ： （） １系统跳电。 煤气 流量控 制器 。 ＦＣ空气流量控制器。 Ａ Ｉ： （） ２ 动力气源压 力低 。 （） ３ 燃烧空气 压力低 。 温眉 （） ４ 煤气压力低。 Ｔ ２ （） ５ 冷却水压 力低。 （） ６ 操作急停。 其他报警信号： ／ ’ ／ 如果在操作中出现以下报警信号 ． 以下的控制如燃烧控制 、 ２ Ｎ 压 挂傩戕杰 ， 动 １ 库彳； 动 ＇ 年韵 自 陧 自 力控 制 、 压控 制 、 炉 换热 器人 Ｅ废 气温度控 制将继续 ， ｌ 报警 只在 Ｃ Ｔ Ｒ ｒ 啬ｉ ｆ责 Ｍ Ｍ Ａ 上显示 。 ＦＴ 冉 膏 ｒ － Ｍ Ａ ｆ ） ２压力低 １Ｎ 青 Ｍ Ｃ （） ２ 燃烧空气温度高。 （） ３ 空气换热器上游温度高。 （） ４ 冷却水温度高。 缝 ｏ Ｏ 干 确 ｖ ＦＶ打 选择程序升温 （ ） 内温度高。 ５炉 选择 ＦＣ启动 Ｉ （） ６ 煤气换热器下游的燃烧 空气温度高 。 图 ３程 序 升 温 的控 制 ｐｏ ｒｍｍｉ ｅ ｔ ｇｃ ｎｒｌ ｒｇａ ｎ ｈ ａｉ ｏ ｔ ｇ ｎ ｏ ３结 束语 ． ２ 其它控 制及安全连锁 ． ４ 通过对炉温的多种控制方式 的应用 ．提高 了系统 的响应速度 ． 使 ２４１区域空气及煤气流量控制 ．． 钢坯保温时间缩短 ． 使氧化烧损 由原来的 １ ％降低 燃烧控制 是建 立在煤气和空气 的流量控制上 的 ． 两个 流量控制 炉 内温度控制均匀 ， ． 在一定程度上提高 了轧前水 除鳞效果 ． ８ 避免 了轧件 的打滑 现 是靠从 区域温度控制的输 出来 执行的。煤气和空气 的流速是 通过双 到 Ｏ ％． 象， 减少 了废钢的几率 ， 了生产 的顺行 ， 保证 提高 了产 品成材率 和型钢 交叉 限幅燃 烧模式来维持空气， 煤气 比例值 在一个特 定的范 围 ． 即使
流体力学中的多尺度流固耦合模拟与建模
流体力学中的多尺度流固耦合模拟与建模流体力学是研究流体运动规律的学科，而多尺度流固耦合模拟与建模是在流体力学中应用的一种方法。
它可以分析和预测不同尺度下流体与固体的相互作用以及其对整个系统行为的影响。
本文将介绍多尺度流固耦合模拟与建模的基本概念、应用范围以及相关研究进展。
一、基本概念多尺度流固耦合模拟与建模是指将不同尺度的物理过程和现象统一起来，通过数值模拟和数学建模的方法进行分析。
在流体力学中，多尺度流固耦合模拟与建模主要关注流体与固体的相互作用，通过考虑流体流动和固体结构之间的相互关系，研究其共同影响下的流体力学行为。
二、应用范围多尺度流固耦合模拟与建模在许多领域都有广泛的应用。
在航空航天工程中，多尺度模拟可以用于研究飞机在不同高度和速度下的气动特性，优化机翼设计以提高飞行性能。
在生物医学工程领域，多尺度模拟可以用于研究血液在微血管中的流动行为，评估药物的输送效果，以及研发人工心脏等器官。
三、研究进展近年来，多尺度流固耦合模拟与建模技术得到了长足的发展。
一方面，随着计算机处理能力的不断提高，模拟模型可以涵盖更大的尺度范围，更加精确地描述流体和固体的行为。
另一方面，研究人员提出了许多创新的算法和数学模型，用于解决多尺度流固耦合问题。
在数值模拟方面，一种常用的方法是将整个模拟过程分为多个尺度的子问题，并使用不同的算法和模型进行求解。
例如，在微观尺度上，可以使用分子动力学方法模拟流体和固体颗粒之间的相互作用；而在宏观尺度上，可以使用有限元法或者有限体积法模拟流体和固体的整体行为。
在数学建模方面，研究人员致力于发展能够准确描述不同尺度物理过程的方程和模型。
例如，针对微观尺度的问题，人们引入了基于粒子的模型，如格子玻尔兹曼方法，用于模拟流体的微观行为；而对于宏观尺度的问题，可以使用流体连续介质力学方程，如纳维-斯托克斯方程，描述流体的宏观流动行为。
总结起来，多尺度流固耦合模拟与建模在流体力学领域具有重要的应用前景。
ADINA流固耦合实例
实例3 隧道内具有柔性结构的流固耦合分析问题：隧道内具有柔性结构的流固耦合如图3-1所示。
图3-1 流体-固体结构示意图一、目的1. 掌握流固耦合作用FSI在Adina-AUI中的操作过程。
2. 掌握用伸缩比例因子画流固耦合模型。
3. 定义引导点(leader-follower points)。
二、定义模型主控数据1. 定义标题：选Control→Heading→敲入标题“exe03: Fluid flow over a flexible structure in a channel, ADINA input”→and click OK。
2. FSI分析：在右边Analysis Type区选FSI按钮。
3. 主控自由度选Control→Degrees of Freedom→不选X-Translation, X-Rotation, Y-Rotation andZ-Rotation按钮→and click OK。
4. 分析假设：大位移，小应变。
选Control→Analysis Assumptions→Kinematics→设置“Displacements/Rotations”为Large→ click OK。
(注：非常薄的结构，因此为小应变)。
三、力学模型1. 柔性结构建立模型1). 柔性结构几何模型坐标点如表3-1，几何结构如图3-2所示。
其几何面见表3-2所示。
①选Define Points 图标→按表3-1输入几何点坐标→ click OK .②选Define Surfaces 图标→设置TYPE 为Vertex → click OK(如图3-2所示)。
2). 施加固定边界条件和流-固边界条件①.图3-2中，在L2线上施加固定约束，其过程可用Adina-AUI 完成。
②. 流-固边界，选Model →Boundary Conditions →FSIBoundary →add FSI boundary number 1→在表中头两行敲入流固边界线编号1和 3 and click OK 。
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ADINA流固耦合建模方法
尽量采用几何模型做为最初的模型信息输入，而不是单元和网格；
•所有的载荷、边界条件、初始条件施加在几何模型上，而不是节点或单元上面；将流固耦合等边界条件定义在单元上的工作量要远大于几何元素的情况；
•结构模型和流体模型分布建立；结构模型可以包括ADINA Structure模块提供的所有特性；流体模型包括ADINA-Fluid所有特性；ADINA提供了各种流体专用网格生成方法；将结构模型和流体模型分别以dat文件的形式写出；同时将两个dat问题提交给ADINA-FSI求解器进行求解；
•后处理中可以同时或者分开查看结果；
原则：绝不能包含无关紧要的模型细节；
•用正确的边界条件（或其它手段）补偿截断的流场空间；例如没有包括模拟障碍物后面的回流区，需要延长下游流场空间；如果不能包括足够大的流场空间，则需要采用瞬态方式进行求解；
•当结构小到不能影响主要流场特性时，尽量抹除。
一个模型存在错误的原因可能非常多，此时将无法判断从什么方面进行模型的修正。
从节省时间的角度，应该按照下面的进行模型测试过程：
1. 用的你经验或者试验现象分析模型，确定2D/3D?有无可简化部分？可压缩性？技术难点或者无法把握的问题？数值稳定性、存储空间、CPU占用时间的估计；
2. 如可能，用简化模型先测试。
例如采用3D模型前先采用2D模型计算；
3. 采用粗网格并使用能使模型快速求解的材料数据和载荷（例如，高粘度值，低速度，低压力，放松收敛精度等）。
此测试是确认模型具有合理性。
一旦模型出现问题，可以很快查出原因；
4. 如果出现错误，可以查看*.out and *.log文件中的信息；
5. 采用细网格通常更容易收敛；也有可能出现截断误差带来的影响，这样可以通过增大迭代次数、减小载荷增量、使用CFL数获得收敛。
5. 在进行流固耦合计算前，首先分别测试结构模型和流场计算模型；
结构模型测试－在FSI边界施加相当于流体作用的压力；
流体模型测试－将流固耦合边界定义为Wall或者移动的Wall；
6. 当结构和流场模型能够正常求解，采用FSI进行求解；
a）瞬态分析采用合理的初始条件；如果第一步不收敛，关注初始条件可能的影响；
b）有预应力结构，控制预应力施加在FSI耦合之前；（第一步不施加流体载荷）c）先做大步长稳态计算，之后重启动瞬态计算；
d）定义合理的时间步长。
在稳态计算中，时间步长决定了载荷增量；在瞬态问题中，时间步长大小取决于响应周期；
e）当耦合界面位移很小或者很大情况下，不要使用位移收敛条件；如果相互作用力很小，则不要使用力收敛条件；
f）在two-way couplings收敛因此可以在0 和1进行调整：靠近1的数值更快收敛，靠近0的数值更容易收敛。