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ANSYS CFX流固耦合模拟在航空中的应用
0 Q; r4 a5 l' G, u M计算流体力学（CFD）已经发展成为分析工业设备外部和内部流动的可靠工具，其所面临的新挑战是对于涉及不同物理现象的多物理场的模拟。一个重要的例子是流动与周围固体结构的干扰。干扰可以是流体作用力与固体变形的力学耦合，也可以是流固界面之间温度和热通量的热耦合。一个典型的例子是机翼或叶片颤振力学耦合系统的数值模拟。
' U* _$ R2 W. X在本文的研究中，ANSYS公司的两个软件包ANSYS和CFX被用于结构和流动力学耦合的模拟。ANSYS是多用途非线性的有限元求解器，用于计算固体结构和非固体结构（例如，静电场、静磁场、声学）。CFX是通用的CFD代码，以高鲁棒性和高精度的流动数值算法、高级湍流模式和多种复杂物理模型而著称。
% _9 Q' H1 O8 m5 [3 D2 F/ _ANSYS CFX软件介绍 , _# Y: V5 E7 c& {* J1 K* v( d- @
在CFX中，NS方程组采用守恒形式的有限体积法来离散，时间采用隐格式，可以计算混合网格和非结构网格，网格单元可以是六面体型、棱柱型、楔型和四面体型。在每个网格节点周围构造控制体，通量通过位于两个控制体界面上的结合点来计算。离散方程采用有界的高精度对流格式来求解。通过Rhie和Chow的算法来计算质量流量，以保证压力速度耦合。
+ R* e' X% U m* [7 ?离散方程组通过由Raw发展的耦合代数多重网格法求解。该方法的数值能力随参与计算的网格节点的数量增加而线性增加。定常计算采用时间迭代法，直到达到用户指定的收敛标准。对于非定常计算，迭代程序在每个时间步内更新非线性系数，而时间步由外层循环来推进。由于力学耦合，将导致流体和固体之间的界面发生移动。因此，离散方程必须被拓展以允许网格移动和网格变形。这种拓展通过空间守恒律来实现。 8 `) }" @& l) ^6 O5 O: W$ x7 J
壁面网格节点界面的移动需要重新计算求解域内部网格节点的位置，可以通过求解描述网格变形的拉普拉斯方程来实现，这类似于网格光顺所做的操作。它是描述动网格运动的经典粘弹动力学方程的简化形式。如果网格严重变形，光顺网格的方法不足以提供高质量的网格。在这种情况下，必须建立拥有不同网格拓扑结构的新网格，在下一时间步，通过二阶插值将求解变量插值到新网格节点上。 1 K0 |5 z+ x3 \) U2 `
ANSYS 软件介绍 / x1 g6 T9 i. J ^
ANSYS 软件提供了大量的非线性和线性网格单元，本构关系覆盖金属到橡胶等大量物质，是最全面的一套求解器。它可以处理复杂的特种装配过程中具有高度非线性的有摩擦和无摩擦的接触问题。ANSYS软件具有矩阵耦合场（或多物理场）的分析功能，包括声学、压电、热/结构、热/电的耦合分析。ANSYS多物理场分析综合了直接（矩阵）和顺序（载荷向量）的耦合方式，以组合需要精确可靠模拟的相应的“物理场”，应用范围包括制冷系统，发电设备、一直到生物技和微机电系统（MEMS）。该软件可以模拟复杂的热－机械，流动－结构，静电－结构干扰问题，包括ANSYS所有迭代的，直接和基于特征值的矩阵求解器。
7 r) A$ {& N0 S0 J, N+ i+ p气弹FSI耦合
t7 C2 E; B/ a. U/ d作为气动弹性耦合的例子，计算分析了AGARD 机翼445.6。关于该机翼详细的实验资料，可参考AGARD report R-765。该机翼展长0.76m，四分之一弦线后掠45度。机翼的总重1.8kg。 , L$ _/ K/ |4 }
AGARD 445.6机翼计算的几何外形机翼固体计算域的离散使用了6300个网格点，流体计算域采用了300000个网格点。机翼材料为层状木质。参照AGARD报告中该模型的材料属性，选择杨氏模量E＝0.25×109Pa，剪切模量G = 0.412*109Pa，泊松比ν＝0.31。材料属性的各相异性没有进一步详细考虑。为了验证选择的材料属性的正确性，用ANSYS进行了模态分析。
" U$ T5 b+ [. o" r+ e! `AGARD机翼的前两个模态（弯曲和扭转）作为第一步计算，先得到每个工况定常的CFD计算结果（非耦合的），采用实验数据确定马赫数Ma，入口速度和密度。从该流动解出发，流动和结构耦合计算在0.001S开始。在每一时间步，CFX发送作用力数据（压力和粘性力）到ANSYS，ANSYS将界面位移传回CFX。
5 s/ e! E2 z5 _! V2 e; W+ a, \机翼以颤振频率开始振动。图中给出了计算和实验得到的颤振频率随马赫数变化曲线的比较。计算结果比试验数据曲线稍低，但是该差别与实验和计算得到的机翼模态频率是一致的。当相对于第一扭转频率来计算颤振频率时，该差别就几乎消失了。将会使实验和计算结果更加一致。本文的计算结果与其它研究者计算结果也进行了比较。 & R& f. U. S8 _8 ?% |' A4 R' M
AGARD 445.6机翼颤振频率和颤振频率比随马赫数的变化ANSYS和CFX耦合计算被用于不同的算例。本文所做的非定常气动力和柔性耦合相结合用于计算AGARD 445.6 机翼颤振。计算结果与实验相比较在很宽的马赫数范围内都十分一致。 7 }& `3 [0 Z6 T+ X* }
本文是一个最基本的流固耦合算例，在颤振计算领域仍然需要进一步的验证研究。在单场计算分析中常用的验证计算质量的方法将被考虑用于多物理场耦合计算的研究中来，比如时间步长和网格密度等参数的研究，这些研究将有助于更精确的判断耦合计算结果的质量和准确性。 |
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发表于 2009-6-26 18:50
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