基于ANSYSWorkbench的流固耦合计算研究及工程应用
ANSYS Workbench轴流叶轮机械流固耦合分析实例
ANSYS 14.0中Workbench提供了进行流固耦合（FSI）分析的模块，可以十分方便的对轴流叶轮机械进行气动载荷分析，包括最大变形量和等效应力分布。
1.进入ANSYS14.0 Workbench界面。
2.在左下角中的custom system模块中选择第一个流固耦合模块FSI：Fluid Flow(CFX)-staticstructural，双击。
3.屏幕中出现了FSI模块。
4.右击A5(solution)选择import solution，导入已经计算完毕的CFX结果.res文件。
5.导入结果后的界面如下图所示。
CFX部分已经完成了计算，所以不需要额外的设置。
6.双击B3（Geometry）进入结构分析的几何单元，初始单位选择meter。
7.导入一个叶片的几何实体，可以选择的几何文件类型很多，x_t、iges等等都可以。
在CFX中，我们通常计算的都是多个转子，多个叶片，但是在分析流固耦合时，只需导入自己关心的那个叶片就可以了。
8.然后点击Generate，就可以看到生成的叶片实体了。
8.关闭Geometry窗口回到Workbench截面，可以看到此时B3(Geometry)后已经变成了绿色的√，说明生成正确。
9.双击B4（model）进入。
可以看到Geometry、coordinate system、connections等项目前面已经是绿色的对号，不需要再进行设置。
10.单击mesh，在左下角的Details of mesh，如图进行设置。
10.右击mesh，选择generate mesh生成网格。
11.生成的叶片网格如图所示。
12.点击static structural ，选择工具栏中的support 下的fixed support，为叶片根部添加约束。
13.选中叶根面，点击左下角中的Apply，完成约束添加。
14.点击上工具栏中units，选择转速单位为RPM.15.如图所示添加转速16.按自己的算例输入转速。
基于ANSYS Workbench混流风机流固耦合分析
机的当量直径,出口区域为６倍风机的当量直径 . [８]
图 １ 混 流 式 风 机 模 型
１．２ 风 道 网 格 划 分
本文利 用 CFD 专 用 的 前 处 理 软 件ICEM 来 划 分
整个风机流道的网 格. 由 于 该 风 机 结 构 复 杂,因 此 在
建模时对计算结果影 响 不 大 的 区 域 (如 电 机、圆 角、间
第 ３ 期 (总 第 ２０８ 期 ) ２０１８ 年 ６ 月
机械工程与自动化 MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION
文 章 编 号 :１６７２Ｇ６４１３(２０１８)０３Ｇ００６５Ｇ０２
No．３ Jun．
基于 ANSYS Workbench混流风机流固耦合分析
戚冬达,龙海洋,李耀刚,董珈皓
动量守恒方程:
Ə(Əρtu)＋Δ(ρuU＋IP)＝０ ．
(２)
其中:I为流体动力黏度;P＝ƏƏxæèçIƏƏuxöø÷ ＋ƏƏyæèçIƏƏvxöø÷ ＋
ƏƏzæèçIƏƏwx
ö
÷
ø
＋ƏƏx(λU),λ
为
流
体
黏
度
系
数
.
固体虚功原理:
������������
������
mX ＋cX ＋kX＝f(t)．
隙 等 )进 行 了 省 略 ,并 且 运 用 布 尔 运 算 的 方 法 将 风 机 流
道 部 分 分 成 进 口 区 、叶 轮 区 、导 叶 区 以 及 出 口 区 ４ 个 子
区域进行单独的网格划分.由于叶轮处的网格划分比
较困难,因此采用了 适 应 性 更 强 的 非 结 构 四 面 体 网 格
(华北理工大学 机械工程学院,河北 唐山 ０６３２１０)
ansys流固耦合分析与工程实例
第 1 章 流固耦合分析基础近年来，流固耦合分析研究和应用取得了飞速的发展，尤其是 ANSYS Workbench 推广以 来，流固耦合分析变得容易起来，也因此很快在相关工程领域得到广泛应用。
本章是学习 ANSYS 流固耦合分析的入门篇，旨在介绍 ANSYS 流固耦合分析的基本知识，引导初学者由 浅入深地了解流固耦合分析的基本操作和应用。
本章内容包括：ü 流固耦合基础ü ANSYS 流固耦合分析ü ANSYS 流固耦合分析的基本步骤1.1 流固耦合基础下面简单介绍什么是流固耦合作用、流固耦合分析，流固耦合的重要性，以及流固耦合分 析用到的控制方程。
1.1.1 认识流固耦合分析的重要性随着计算科学以及数值分析方法的不断发展， 流固耦合或交互作用 （fluid structure coupling 或 fluid structure interaction ）研究从 20 世纪 80年代以来，受到了世界学术界和工业界的广泛 关注。
流固耦合问题是流体力学（Computational Fluid Dynamics ，CFD ）与固体力学 （Computational Solid Mechanics ，CSM ）交叉而生成的一门力学分支，同时也是多学科或多 物理场研究的一个重要分支， 它是研究可变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流 场影响这二者相互作用的一门科学。
流固耦合问题可以理解为既涉及固体求解又涉及流体求解， 而两者又都不能被忽略的模拟 问题。
因为同时考虑流体和结构特性，流固耦合可以有效节约分析时间和成本，同时保证结果 更接近于物理现象本身的规律。
所以， 近年来流固耦合分析在工程设计特别是虚拟设计和仿真 中的应用越来越广泛和深入。
1流固耦合分析基础ANSYS 流固耦合分析与工程实例2 图 11 显示了流固耦合分析在产品虚拟设计中的层次以及与各学科之间的相互联系。
基于ANSYS Workbench的风力机流固耦合分析
基于ANSYS Workbench的风力机流固耦合分析周海栋;张艳伟;王博超;庞伟【摘要】利用ANSYS Workbench软件对2 kW的风力机进行流固耦合分析,得到风场风速、叶片所受风压、叶片变形、应力应变等有限元分析结果.同时对叶片本身、叶片在风场中静止及旋转情况下进行模态分析,并进行比较.ANSYS已将流体软件CFX整合到Workbench中,利用Workbench对风机进行流固耦合分析可在软件内部完成多物理场数据传递,方便实用.得到的风场信息、叶片应力云图及叶片的模态分析为叶片的优化设计及研发工作提供直接数据,从而减少产品开发周期,降低开发成本.%Fluid-solid coupling analysis of wind turbine is carried out by ANSYS Workbench.The wind speed,pressure,the blade's deformation,stress and strain are obtained.Modal analysis of the blade itself and the blade in wind field with or without rotation are carried out and compared.With the CFX integrated into Workbench,it is convenient for internal data transmission between multi-physics fields.The information about the wind site,the equivalent stress of the blade and the modal analysis provide reference for the optimization design and further research of the blade.The development cycle is shortened and the cost of development is cut down.【期刊名称】《河北工业科技》【年(卷),期】2013(030)005【总页数】5页(P314-318)【关键词】风机叶片;有限元;流固耦合分析;模态分析【作者】周海栋;张艳伟;王博超;庞伟【作者单位】河北工程大学装备制造学院,河北邯郸056038;河北工程大学机电工程学院,河北邯郸056038;中国石油天然气股份有限公司河北沧州销售分公司,河北沧州 062450;西山煤电集团官地矿,山西太原030022【正文语种】中文【中图分类】TK83叶片是风力发电机组的关键部件之一，它的设计直接影响到风能的利用效率。
ANSYS Workbench 19.0基础入门与工程实践 第24章 流固耦合分析
24.2 流固耦合分析实例—收缩喷管流固耦合分析
• 本例以收缩喷管为研究对象，利用CFX模块对流固耦合情 况下的结构受力进行仿真模拟，通过详细的操作和仿真说 明，为读者学习和掌握流固耦合方法提供指导和实践案例。
• 24.2.1 问题描述 • 24.2.2 几何建模 • 24.2.3 流体网格划分 • 24.2.4 流体求解设置 • 24.2.5 流体结果后处理 • 24.2.6 结构场求解设置 • 24.2.7 结构场结果后处理
24.1.1 流体控制方程
• 流固耦合问题应该遵循流体力学的三大定律，对于不可压 缩的牛顿流体，守恒定律通过式至式所示的控制方程进行 描述。
• 质量守恒方程：
• 动守恒方程：
• 能量守恒方程：
24.1.2 固体控制方程
• 固体控制方程根据牛顿第二定律导出，如式所示。
24.1.3 流固耦合方程
• 流固耦合方程遵循最基本的守恒原则，在流固耦 合交界面位置，应该满足流体与固体应力、位移 的相等或者守恒，如式所示。
24.1.4 流固耦合仿真流程
• 本章主要介绍单向流固耦合的分析过程，通常在WB 19.0 中实现流固耦合的流程如图左所示，其中流体的计算可以 采用CFD或者CFX两种求解器。在WB 19.0中创建分析项目， 如图右所示。
24.4 本章小结
• 本章主要介绍了流固耦合分析的基本理论和方法，同时针 对如何在WB 19.0中实现流固耦合进行了详细的介绍，并 通过两个具体实例对该方法进行逐一讲解，为读者提供较 为全面的操作指南。
ANSYSWorkbench流-固耦合计算方法解析
ANSYSWorkbench流-固耦合计算方法解析流-固耦合主要研究流体流动导致结构变形，而结构变形可能会影响流体流动。
基于ANSYS Workbench可以实现单向和双向流固耦合，而且可以处理结构发生大变形的双向流固耦合计算，流固耦合计算的典型应用包括，机翼颤振，管道振动，导线覆冰振动，含流体容器晃动，结构跌落入水冲击，柔性结构扰流振动等。
目前，ANSYS版本已经更新到了2023R1，各类流固耦合计算功能，更加完善，操作使用更加方便，对于流固耦合根据耦合方式可以分为：（1）单向耦合。
A场对B场有影响，而B场对A场没有影响，常见的问题就是热应力计算，一般的热应力计算中，只考虑温度对结构的影响，而忽律结构变形对温度场的影响；（2）双向耦合。
A场对B场有影响，而B场对A场也有影响，例如气动颤振问题，流场对结构的变形有影响，反过来结构变形也会影响流场。
ANSYS目前主要提供了四种流固耦合仿真策略：（1）Fluent+结构模块（稳态或瞬态）该方法可以完成各类稳态或瞬态的单向流固耦合计算，计算效率高，数据传递稳定，例如，各类流体载荷导致的结构变形和应力，结构在流体作用下的小变形振动等。
（2）Fluent+结构模块（稳态或瞬态）该方法在Fluent中完成流场求解，获得流场的压力；在结构模块（稳态或瞬态）完成固体场求解，获得变形，然后通过系统耦合器完成数据的交互传递，该方法，即可以完成单向流固耦合计算，也可以完成双向流固耦合计算，但是在同一时刻，只有一个场在求解，双向流固耦合的求解时间较长。
（3）基于LS-DYNA软件完成流固耦合计算LS-DYNA支持ICFD求解器与其自身的固体力学求解器之间的耦合。
ICFD求解器适用于五大行业多物理场应用：•汽车行业，LS-DYNA传统应用领域，ICFD可针对热-结构耦合的外部空气动力学分析提供解决方案；•制造行业，ICFD可应用于冷却相关分析，例如金属冲压，电池组的冷却等；•能源行业，尤其是风能行业。
基于 ANSYS Workbench 的输流管路流固耦合振动分析
基于 ANSYS Workbench 的输流管路流固耦合振动分析孙中成;张乐迪;张显余;马文浩【摘要】According to the fluid-filled straight pipe axial and lateral vibration linear differential equations, the axial and lat-eral vibration transfer matrix of fluid-filled straight pipe are deduced, and the natural frequency is obtained by numerical cal-culation. The two results are identical, when the calculated results comparing with the ANSYS Workbench simulation results. The accuracy of the calculated results is proved. Finally, the different effects of the natural frequency are analyzed which con-sidering the fluid-structure interaction effects or not in different constrain, and bring to the appropriate conclusion.%通过输流直管路轴向和横向振动的线性微分方程，推导出了输流管路轴向及横向振动的传递矩阵；对某直管模型进行数值分析计算得到了管路的各阶固有频率，计算结果与 ANSYS Workbench 仿真结果进行对比，二者计算结果吻合良好，验证了计算结果的准确性；最后，分析了不同约束条件、考虑和不考虑流固耦合作用下对管路固有频率的影响，并得出相应的结论。
ANSYS Workbench LS-DYNA流固耦合方法应用
ANSYS Workbench LS-DYNA流固耦合方法应用贮液容器（含塑料瓶）广泛应用于化工、食品包装、储运等领域。
由于容器（含塑料瓶）在运输和使用过程中常常会因为跌落或碰撞冲击导致破损而造成损失和污染，因此，研究贮液容器（含塑料瓶）在跌落碰撞过程中的力学行为，对认识容器（含塑料瓶）跌落碰撞损伤机理，优化容器（含塑料瓶）结构，提高其安全性和使用价值意义重大。
．贮液容器的跌落是一个典型的流固耦合问题，可采用LS-DYNA的ALE算法（任意拉格朗日欧拉算法）进行模拟。
下面以一个封闭的装水水箱为例，介绍ANSYS Workbench LS-DYNA分析此类型跌落问题的方法和步骤：1.建立几何模型调用ANSYS Workbench中的LS-DYNA模块，如图1所示。
然后使用ANSYS的CAD工具DesignModeler建立几何模型，如图2所示。
图1 调用Workbench LS-DYNA 图2 DesignModeler中建立几何模型2.生成K文件双击进入“Model”后，对模型进行网格划分、边界条件设置、速度设置和分析设置，如图3所示。
设置完成后点击“solve”求解，生成K文件，如图4所示。
图3 调用Workbench LS-DYNA 图4 DesignModeler中建立几何模型3.编辑K文件通过Workbench LS-DYNA生成的K文件中关键字是不够完善的，并不能直接递交LS-DYNA求解器进行求解。
K文件中所欠缺的一些关键字，在流固耦合分析中是必不可少的，如空材料的定义、跟随坐标系的定义、空白域的定义以及状态方程的定义等。
3.1 重要关键字释义（1）LS-DYNA程序提供了运动的多物质ALE网格，可以方便地为多物质ALE算法定义跟随坐标系*ALE_REFERENCE_SYSTEM_NODE*ALE_REFERENCE_SYSTEM_GROUP（2）定义空材料和状态方程的关键字*MAT_NULL *EOS（3）初始化空白域的关键字*INITIAL_VOID_PART（4）结构和流体之间耦合的关键字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID（5）单元算法定义（单点积分的单物质加空白材料）的关键字*SECTION_SOLID_ALE ELF0RM=12（6）在重力作用下产生下落的关键字*LOAD_BODY……3.2关键字编辑方法关键字的编辑或修改一般有两种方法，一种是直接在ls-prepost中对关键字进行编辑设置，如图5所示；另一种是在文本编辑器UltraEdit中对关键字进行编辑或修改，如图6所示。