流固耦合

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流固耦合现象的力学分析

流固耦合现象的力学分析

流固耦合现象的力学分析流固耦合现象是指在流体与固体互相作用下产生的力学现象。

它在许多实际问题中都扮演着重要的角色,例如河流冲刷、风力发电机叶片受到的风压力、飞机机翼与空气的相互作用等。

在物理学中,我们可以通过一系列定律来分析流固耦合现象,并通过实验来验证我们的理论。

首先,流固耦合现象的分析离不开连续介质力学定律。

连续介质力学是物质运动的宏观力学理论,它假设物质是连续的,并考虑了宏观尺度上的平均效应。

其中最基本的定律是质量守恒定律和动量守恒定律。

质量守恒定律指出,在任何物理过程中,质量是守恒的。

具体到流固耦合现象中,我们可以通过实验来验证这一定律。

例如,我们可以设计一个容器,将含有某种流体的管道与固体结构相连接。

通过流体在管道中的流动,我们可以测量流体的质量,并与实验前后的质量进行比较。

如果质量守恒定律正确,那么我们应该得到相同的结果。

动量守恒定律则描述了物体上力的作用和物体运动之间的关系。

在流固耦合现象中,我们需要考虑流体和固体之间的相互作用力。

在实验中,我们可以通过建立一个闭合系统来验证动量守恒定律。

具体来说,我们可以设计一个装置,其中一个部分是由流体构成的,另一个部分是由固体构成的。

通过观察流体和固体之间的相互作用力,我们可以验证动量守恒定律是否成立。

除了连续介质力学定律,流固耦合现象的分析还需要考虑流体力学和固体力学的相关定律。

在流体力学中,纳维-斯托克斯方程是最基本的定律之一。

该方程描述了流体在不同条件下的运动。

我们可以通过使用带有适当边界条件的纳维-斯托克斯方程来分析流固耦合现象。

例如,我们可以考虑一个水流经过一个固体结构的情况。

我们可以通过实验来观察水流的流速和固体结构上的压力分布,并将这些观察结果与纳维-斯托克斯方程的解进行比较,以验证该定律的准确性。

在固体力学中,弹性力学定律是重要的分析工具。

弹性力学定律描述了固体在受到外力作用下的变形行为。

对于流固耦合现象,我们需要考虑固体结构受到流体力作用引起的变形。

流固耦合过程_教程

流固耦合过程_教程

流固耦合过程_教程流固耦合是指流体与固体相互作用产生的物理过程。

在这种过程中,流体对固体施加的力会导致固体变形,而固体的变形又会对流体流动产生影响。

首先,我们来了解一些基本概念。

在流固耦合中,流体可以是液体或气体,固体可以是土壤、岩石、建筑物等。

流体与固体之间的相互作用可以通过几个参数来描述,包括流体的压力、速度、密度以及固体的应力、变形等。

这些参数之间的相互作用可以通过基本物理定律来描述,如连续性方程、动量守恒方程、弹性方程等。

在流固耦合过程模拟中,有两种常用的方法:一种是基于有限元方法的数值模拟,另一种是基于解析解的解析模拟。

有限元方法是一种利用计算机对物体进行离散化处理的方法,将物体分割成许多小元素,并通过求解这些小元素上的方程来获得模拟结果。

解析模拟则是基于已知的解析解进行计算,通常适用于简单的流固耦合问题。

在进行流固耦合过程的数值模拟时,需要先建立数学模型。

例如,在处理地下水流动与土壤变形耦合问题时,可以使用Darcy定律描述地下水的渗流行为,再结合土壤的弹性方程来描述土壤的变形。

然后,通过数值方法对这些方程进行离散化处理,并采用迭代求解的方式求解模拟结果。

在模拟过程中,还需要考虑流体与固体之间的边界条件。

例如,在考虑建筑物受风力作用时,建筑物表面的压力分布可以作为边界条件输入模型中,以模拟风力对建筑物的影响。

此外,还需要注意模型的几何形状、材料特性等参数的选择,这些参数将直接影响到模拟结果的准确性。

在模拟结果的分析中,可以通过观察固体变形、流体速度分布等来判断流固耦合过程的行为。

此外,还可以通过改变模型参数、边界条件等来进行敏感性分析,以评估这些参数对模拟结果的影响。

总结起来,流固耦合过程是一个复杂的物理现象,涉及到流体和固体的相互作用。

通过建立数学模型和采用数值模拟方法,可以对这种过程进行模拟和分析。

通过理解流固耦合过程的基本概念和模拟方法,我们可以更好地理解和应用于实际问题中。

流固耦合

流固耦合

(2)有限体积法 有限体积法(Finite Volume Method,FVM)又称为控制体积法。 其基本思想是将计算区域划分为一系列不重复的控制体积,并使每 个网格点周围有一个控制体积;将待解的微分方程(控制方程)对每 一个控制体积积分,从而得出一组离散方程。其中的未知数是网格 点上的因变量的数值。 为了求出控制体积的积分,必须假定数值在网格点之间的变化 规律。从积分区域的选取方法看来,有限体积法属于加权余量法中
典型的流固耦合问题在工程上可分为四类: (1)土木工程中的坝水耦合问题。如土木工程领域中地震载荷 作用下的坝体与水的耦联振动。 (2)流体引起管道振动的问题。它是指结构腔内充满流体时发 生的耦合振动。如海洋工程领域与石化工程领域中管道内流体 诱发振动和柔性腔内流体自振等。 (3)船与水的耦合问题。处于流体区域中的结构振动或运动, 在结构全部或部分被侵入在流体之中时,以结构为主的振动模 态与运动响应就是耦合系统研究的重点。如船舶工程领域中船 体与水的耦合。 (4)储液容器的振荡问题。在液体没有充满柔性结构腔时会发 生这一类耦合振动问题,此时液体的晃动将是主要的动力分析 对象。如航天航空领域中储液容器晃荡问题。
的子区域法;从未知解的近似方法看来,有限体积法属于采用局部
近似的离散方法. 简而言之,子区域法加离散就是有限体积法的基本方法。
参考文献:
[1] Zienkiewicz O C. Coupled problems and their numerical solution in: Lewis R W, Bettes P, Hinton E eds. Numerical Methods in Coupled Systems. John Wiley and Sons Ltd , New York ( 1984) [2] 张阿曼,戴绍仕. 流固耦合动力学[M]. 北京:国防工业出版社, 2011. [3] 邢景棠, 周盛, 崔尔杰. 流固耦合力学概述[J]. 力学进展, 1997,21(7): 19-38.

流固耦合关系的主要研究内容

流固耦合关系的主要研究内容

流固耦合关系的主要研究内容一、流固耦合关系的定义流固耦合关系是指流体与固体之间相互作用、相互影响的物理现象。

在这种关系中,流体的运动会对固体产生力和压力,而固体的形状和结构则会对流体的运动产生阻力和影响。

具体而言,流体的运动会改变固体的形变和应力分布,而固体的形变又会影响流体的流动特性。

二、流固耦合关系的研究方法研究流固耦合关系的方法主要分为实验方法和数值模拟方法。

实验方法可以通过物理模型或实际系统进行观测和测量,以获得流体和固体之间的相互作用参数。

数值模拟方法则通过建立数学模型,利用计算机进行数值计算和仿真,来模拟流体和固体之间的相互作用过程。

常用的数值模拟方法包括有限元法、有限体积法、边界元法等。

三、流固耦合关系在不同领域的应用1. 工程领域:流固耦合关系在工程领域中有广泛的应用。

例如,在航空航天领域,研究飞机在飞行过程中空气流动对机翼和机身的影响,以提高飞机的稳定性和飞行性能。

在建筑工程中,研究风场对建筑物的风压和风振效应,以确保建筑物的结构安全可靠。

2. 生物医学领域:流固耦合关系在生物医学领域中也有重要的应用。

例如,在血液循环系统中,研究血液流动对血管壁的剪切力和应力分布的影响,有助于了解心血管疾病的发生机制和预防措施的制定。

此外,研究呼吸系统中气流对肺泡的影响,有助于改善人工呼吸机的设计和使用。

3. 环境科学领域:流固耦合关系在环境科学领域中也有一定的应用。

例如,在水文学研究中,研究水流对土壤侵蚀和水质污染的影响,有助于制定水资源管理和环境保护政策。

此外,在气象学研究中,研究气流对大气污染物的扩散和传播的影响,有助于改善空气质量预测和污染治理措施。

四、总结流固耦合关系是流体与固体之间相互作用、相互影响的物理现象。

研究流固耦合关系的方法包括实验方法和数值模拟方法。

流固耦合关系在工程、生物医学和环境科学等领域中都有广泛的应用。

研究流固耦合关系可以帮助我们更好地理解和应用流体力学和固体力学的知识,从而推动相关领域的发展和进步。

流固耦合

流固耦合

流固耦合定义:它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者相互作用的一门科学。

流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用,变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。

变形或运动又反过来影响流,从而改变流体载荷的分布和大小,正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。

(一)流固耦合动力学:求解方法与基本理论---张阿漫,戴绍仕●有限元法●边界元法●SPH法与谱单元法●瞬态载荷作用下流固耦合分析方法●小尺度物体的流固耦合振动●水下气泡与边界的耦合效应按耦合机理分两大类:1 耦合作用只发生在两相交界面---界面耦合(场间不相互重叠与渗透),耦合作用通过界面力(包括多相流的相间作用力等)起作用。

它的计算只要满足耦合界面力平衡,界面相容就可以了(其耦合效应是通过在方程中引入两相耦合面边界条件的平衡及协调关系来实现的)。

如气动弹性,水动弹性等。

按照两相间相对运动的大小及相互作用分为三类:(1)流体和固体结构之间有大的相对运动问题"最典型的例子是飞机机翼颤振和悬索桥振荡中存在的气固相互作用问题,一般习惯称为气动弹性力学问题"(2)具有流体有限位移的短期问题"这类问题由引起位形变化的流体中的爆炸或冲击引起"其特点是:我们极其关心的相互作用是在瞬间完成的,总位移是有限的,但流体的压缩性是十分重要的"(3)具有流体有限位移的长期问题"如近海结构对波或地震的响应!噪声振动的响应!充液容器的液固耦合振动!船水响应等都是这类问题的典型例子"对这类问题,主要关心的是耦合系统对外加动力荷载的动态响应"2 两域部分或全部重叠在一起,难以明显的分开,使描述物理现象的方程,特别是本构方程需要针对具体的物理现象来建立,其耦合效应应通过建立与不同单相介质的本构方程等微分方程来体现。

按耦合求解方法分两大类:1 直接耦合求解:直接耦合是在一个求解器中同时求解不同物理场的所有变量,需要针对具体的物理现象来建立本构方程,其耦合效应通过描述问题的微分方程来体现。

流固耦合流程

流固耦合流程

流固耦合流程流固耦合是指流体与固体之间相互作用、相互影响的一种现象。

在工程领域中,流固耦合分析已成为设计和优化产品性能的重要工具。

本文将以流固耦合为主题,介绍流固耦合分析的流程和应用。

第一部分:引言流固耦合在众多工程领域中发挥着重要作用,比如航空航天、汽车工程、海洋工程等。

流体与固体的相互作用不仅会对产品的性能产生影响,还可能引起破坏性的振动和噪声。

因此,进行流固耦合分析来评估和改进产品性能至关重要。

第二部分:流固耦合的基本原理在进行流固耦合分析之前,我们需要了解流固耦合的基本原理。

流体与固体之间的相互作用主要包括压力和速度对固体的作用,固体形状对流体流动的影响,以及固体振动对流场的影响等。

这些相互作用可以通过数值模拟方法进行分析和预测。

第三部分:流固耦合分析的流程1. 前处理:在进行流固耦合分析之前,首先需要进行前处理工作。

前处理包括几何建模、网格划分、材料属性定义等。

准确的前处理是进行流固耦合分析的基础。

2. 流场计算:在进行流固耦合分析时,首先需要计算流体场的流动状态。

根据问题的具体需求,可以选择合适的数值求解方法,如有限元法、有限差分法、有限体积法等。

通过求解流体方程,得到流场参数,如速度、压力等。

3. 固体分析:在流场计算完成后,需要进行固体的应力和变形分析。

通过求解固体的力学方程,得到固体的应力和变形情况。

这些结果对于评估产品的结构强度和稳定性至关重要。

4. 边界条件耦合:在流固耦合分析中,流场和固体分析需要进行边界条件的耦合。

这意味着固体的边界条件受到流场的影响,而流体的边界条件又受到固体的影响。

通过迭代求解流场和固体方程,得到耦合后的边界条件。

5. 后处理:在流固耦合分析完成后,需要进行后处理工作。

后处理包括结果的可视化、数据的提取和分析等。

通过后处理,可以直观地了解产品的性能和响应。

第四部分:流固耦合分析的应用流固耦合分析在多个工程领域中都有广泛的应用。

以航空航天工程为例,利用流固耦合分析可以评估飞机的气动性能、翼面的变形情况以及机翼的气动弹性特性。

(完整版)5流固耦合

(完整版)5流固耦合

第五章 轴流泵的流固耦合5-1 流固耦合概论流固耦合问题一般分为两类,一类是流‐固单向耦合,一类是流‐固双向耦合。

单向耦合应用于流场对固体作用后,固体变形不大,即流场的边界形貌改变很小,不影响流场分布的,可以使用流固单向耦合。

先计算出流场分布,然后将其中的关键参数作为载荷加载到固体结构上。

典型应用比如小型飞机按刚性体设计的机翼,机翼有明显的应力受载,但是形变很小,对绕流不产生影响。

当固体结构变形比较大,导致流场的边界形貌发生改变后,流场分布会有明显变化时,单向耦合显然是不合适的,因此需要考虑固体变形对流场的影响,即双向耦合。

比如大型客机的机翼,上下跳动量可以达到5 米,以及一切机翼的气动弹性问题,都是因为两者相互影响产生的。

因此在解决这类问题时,需要进行流固双向耦合计算。

下面简单介绍其理论基础。

连续流体介质运动是由经典力学和动力学控制的,在固定产考坐标系下,它们可以被表达为质量、动量守恒形式:()0v tρρ∂+∇⋅=∂ (1) ()B v vv f tρρτ∂+∇⋅-=∂ (2) 式中,ρ为流体密度;v 为速度向量;Bf 流体介质的体力向量;τ为应力张量;在旋转的参考坐标系下,控制方程变为: ()0r v v tρρ∂+∇⋅=∂ (3) (-)+B r r c v v v f f tρρτ∂+∇⋅=∂ (4) 形式和固定坐标系下基本相同,只是速度变成了相对速度,另外就是增加了附加力项c f 。

固体有限元动力控制方程为:[]{}[]{}{}...[]{}M u C u K u F ++= (5)式中,[]M ,[]C ,[]K 分别是质量矩阵,阻尼矩阵以及刚度矩阵,{}F 为载荷矩阵。

流固耦合遵循最基本的守恒原则,所以在流固耦合交界面处,应满足流体与固体应力、位移、热流量、温度等变量的相等或守恒,即满足如下四方程:f f s s n n ττ⋅=⋅ (6)f s d d = (7)f s q q = (8)f s T T = (9)5-2 单向流固耦合思路分析:轴流泵的单向流固耦合仅仅考虑流场对结构的影响,并不考虑结构变形对流场的影响,所以其数据的传递是单向的,流场和结构的分开计算,完成流场计算之后将其作为结构的边界条件加载到结构域上。

流固耦合

流固耦合

关键词流固耦合; 气动弹性; 水动弹性; 非线性动力学; 计算力学1 定义和特点流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支. 顾名思义, 它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学. 流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用(f lu id2so lidin teract ion) : 变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动, 而变形或运动又反过来影响流场, 从而改变流体载荷的分布和大小. 正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象.流固耦合问题可由其耦合方程来定义[ 1 ]. 这组方程的定义域同时有流体域与固体域, 而未知变量含有描述流体现象的变量及描述固体现象的变量, 一般而言, 具有以下两点特征:a) 流体域或固体域均不可能单独地求解;b) 无法显式地消去描述流体运动的独立变量或描述固体运动的独立变量.从总体上来看, 流固耦合问题按其耦合机理可分为两大类. 第一大类问题的特征是两相域部分或全部重叠在一起, 难以明显地分开, 使描述物理现象的方程, 特别是本构方程需要针对具体的物理现象来建立, 其耦合效应通过描述问题的微分方程而体现. 图1给出的渗流问题是这类问题的典型例子, 描述其现象的微分方程如下[ 2 ]:其中, ý表示梯度算子, u 表示土壤骨架的位移矢量, p 为渗流压力, R 是应力张量(用矢量式) , L 是相应于应变的微分算子, D 是弹性矩阵, b 是体力矢量, k 是渗透率, K f 是流体的体积模量, n 是空隙率, m = [1, 1, 1, 0, 0, 0 ]T . 这里, 由于耦合效应, 固体的本构关系中出现了压力项.土壤渗流相互作用第二大类问题的特征是耦合作用仅仅发生在两相交界面上, 在方程上耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的. 本文中, 我们主要讨论这一类问题.对于第二大类问题, Zienk iew icz与其合作者Bet tess 在文[3 ] 中按两相间相对运动的大小及相互作用性质将其分为三小类. 图2中示出了这三种问题.问题a) 是流体与固体结构之间有大的相对运动的问题. 其典型例子是机翼颤振或悬桥振荡中发生的气固相互作用, 这被人们习惯称其为气动弹性力学问题. 在这类问题中的基本物理关系和物理过程可用易于理解的所谓方块图加以描述, 这种方法由著名力学家冯元桢(Y. C. Fung) 教授[ 425 ]引用到气动弹性力学中来, 特别是对于气动弹性稳定问题中的反馈过程, 用这种方法说明是很有启发性的. 图3示出了机翼颤振的这一方框图. 图中三个方框表示了机翼(结构) 在这类问题中执行的三种不同功能: 首先它产生空气动力, 其次是产生惯性力, 再就是它产生弹性变形. 机翼按空气动力学规律产生升力A , 而机翼振动时则引起惯性力I . 这两种力A + I 使弹性机翼产生变形H, 从而又产生新的作用力A 和I , 这样, 以反馈过程的形式构成一条闭合回路, 如果出现变形的振幅随时间不断增大的现象, 则称为颤振.图4 流固耦合问题中各种力之间的相互关系图问题b) 是具有流体有限位移的短期问题. 这类问题由引起位形变化的流体中的爆炸或冲击引起.其特点是: 人们极其关心的相互作用是在瞬间完成的, 总位移是有限的, 但流体的压缩性是十分重要的.问题c) 是具有流体有限位移的长期问题, 如近海结构对波或地震的响应、噪声振动的响应、充液容器的液固耦合振动、船水响应等都是这类问题的典型例子. 对这类问题, 人们主要关心的是耦合系统对外加动力载荷的动态响应.图4 中示出了流固耦合中各种力之间的相互影响关系. 其中, 两个虚线描绘的大圆周分别划出了流体与固体. 在这两个圆周相切的地方, 用一个小圆表示了两相耦合界面. 通过耦合界面, 流体动力影响固体运动, 而固体的运动又影响流场. 在耦合界面上, 流体动力及固体的运动事先都不知道, 只有在系统地求解了整个耦合系统后, 才可给出它们的解答, 这正是相互作用的特征所在. 若没有这一特征, 其问题将失去耦合作用的性质. 例如, 若给定流固交界面上的流体动力或交界面上固体结构的运动规律, 耦合机理将会消失, 原来的耦合系统将被解耦而成为单一固体在给定表面力下的动力问题及单一流体在给定边界条件下的流体力学边值或初边值问题.在最一般情况下, 流体与固体通过两相交界面的相互作用同时受流体及固体各自的弹性力和惯性力影响, 这_______就是两个大圆周中间方框中表示的一般流固耦合问题. 随着研究问题的目的不同, 可将着眼点放在流场或固体结构上进行研究. 流体力学工作者多着眼于流场, 而固体力学工作者则注重结构. 在工程实际问题中, 可针对不同性质的问题, 作相应的简化, 从而便有简化后的耦合问题. 例如, 研究水同结构相互作用的非短期问题时, 水的可压性可以不计, 这就构成不可压流体同固体的耦合问题. 类似地, 若忽略结构的弹性变形, 就有刚体同流体的相互作用问题. 在航空中, 独成一个学科的刚体飞机飞行力学问题就是重要的例子.也可以在某些问题中忽略流体或固体的惯性效应, 从而有忽略流体惯性的耦合问题及忽略固体惯性的耦合问题. 在空气弹性力学中的静力发散, 舵面效率等问题即是重要的忽略结构惯性的流固耦合问题. 至于忽略流体惯性时的耦合问题, 其本质就是将流体(通常为气体) 视为一弹簧, 如空气弹簧, 这在工程中也常常见到. 所有这些简化后的耦合问题, 包括非耦合性质的可压流体动力学及变形固体动力学问题, 在图4中用虚线圆周上的方框表示出来. 于是,每种流固耦合问题可以按该问题中诸力所处的相互关系而进行直观的区分.2 发展简史流固耦合问题由于其交叉性质, 从学科上涉及流体力学、固体力学、动力学、计算力学等学科的知识; 从技术上与不同工程领域, 如土木、航空航天、船舶、动力、海洋、石化、机械、核动力、地震地质、生物工程等均有关系. 其研究问题甚广, 难以确定合适的研究分类,而且随着科学技术的发展, 其分类也在不停的变化, 这里以美国机械工程师学会(A SM E) 出。

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ALE FLUID-ST with COMSOL Multiphysics 4.2
Figure 1: Fluid flows into this horizontal flow channel from the left, and it enters with a parabolic velocity profile. A narrow vertical structure in the channel (the straight vertical structure) forces the flow into a narrow path. Due to fluid pressure and viscous drag, the originally vertical structure bends. This simulation models the fluid flow in a deformed, moving mesh that follows the movement of the bending structure.
STRUCTURAL MECHANICS
2 2 2
(2)
2
The structural deformations are solved for using an elastic formulation and a nonlinear geometry formulation to allow large deformations. The obstacle is fixed to the bottom of the fluid channel. All other object boundaries experience a load from the fluid, given by FT = –n –p I + u + u
T
(1)
In these equations, I denotes the unit diagonal matrix and F is the volume force affecting the fluid. Assume that no gravitation or other volume forces affect the fluid, so that F0. The coordinate system velocity is um(um, vm). At the channel entrance on the left, the flow has fully developed laminar characteristics with a parabolic velocity profile but its amplitude changes with time. At first flow increases rapidly, reaching its peak value at 0.215 s; thereafter it gradually decreases to a steady-state value of 5 cm/s. The centerline velocity in the x direction, uin (see Figure 4), with the steady-state amplitude U comes from the equation Ut u in = --------------------------------------------------------- 0.04 – t + 0.1 t where t must be expressed in seconds. At the outflow (right-hand boundary), the condition is p0. On the solid (nondeforming) walls, no-slip conditions are imposed, u0, v0, while on the deforming interface the velocities equal the deformation rate, u0ut and v0vt (the default condition; note that u and v on the right-hand sides refer to the displacement components).
Model Definition
In this example the flow channel is 100 m high and 300 m long. The vertical structure—5 m wide, 50 m high, and with a semicircular top—sits 100 m away from the channel’s left boundary. Assume that the structure is long in the direction perpendicular to the image. The fluid is a water-like substance with a density = 1000 kg/m3 and dynamic viscosity = 0.001 Pa·s. To demonstrate the desired techniques, assume the structure consists of a flexible material with a density = 7850 kg/m3 and Young’s modulus E = 200 kPa.
Solved with COMSOL Multiphysics 4.2
MOVING MESH
The Navier-Stokes equations are solved on a freely moving deformed mesh, which constitutes the fluid domain. The deformation of this mesh relative to the initial shape of the domain is computed using Winslow smoothing. This is the default smoothing when using the Fluid-Structure Interaction interface. For more information, please refer to the chapter The Fluid-Structure Interaction Interface in the MEMS Module User’s Guide. Inside the obstacle, the moving mesh follows the deformations of the obstacle. At the exterior boundaries of the flow domain, the deformation is set to zero in all directions.
T
(3)
where n is the normal vector to the boundary. This load represents a sum of pressure and viscous forces.
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ALE FLUID-STRUCTURE INTERACTION
Solved with COMSOL Multiphysics 4.2
A L E Flui d- S t r uc t u re In t erac t i on
Introduction
The following example demonstrates techniques for modeling fluid-structure interactions in COMSOL Multiphysics. It illustrates how fluid flow can deform structures and how to solve for the flow in a continuously deforming geometry using the arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) technique. The model geometry consists of a horizontal flow channel in the middle of which is an obstacle, a narrow vertical structure (Figure 1). The fluid flows from left to right, except where the obstacle forces it into a narrow path in the upper part of the channel, and it imposes a force on the structure’s walls resulting from the viscous drag and fluid pressure. The structure, being made of a deformable material, bends under the applied load. Consequently, the fluid flow also follows a new path, so solving the flow in the original geometry would generate incorrect results. The ALE method handles the dynamics of the deforming geometry and the moving boundaries with a moving grid. COMSOL Multiphysics computes new mesh coordinates on the channel area based on the movement of the structure’s boundaries and mesh smoothing. The Navier-Stokes equations that solve the flow are formulated for these moving coordinates. The structural mechanics portion of the model does not require the ALE method, and COMSOL Multiphysics solves it in a fixed coordinate system as usual. However, the strains the model computes in this way are the only source for computing the deformed coordinates with ALE.
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