双向流固耦合设置记录

柱体的流固耦合分为双向和单向,这里写一下双向流固耦合的流程，主要是记录一下，免得以后忘记了，当然能帮助人那就更好喽[aru_78]

1.0 前言

主要着重于易出错及重要的部分，不会每一个步骤都写的。[aru_19]所采用的方法是：Fluent+Mechanical+system coupling，平台是ANSYS 2021R1 Workbench

1.1 所参考的文献为

1. Vortex-induced vibration (VIV) dynamics of a tensioned flexible cylinder subjected to uniform cross-flow

2. 复合材料海洋立管涡激振动数值模拟及抑制研究(硕士论文-知网是什么？🤣)

通过数值模拟和实验进行对比分析，验证数值模拟的准确性，在这里先把参数列举一下

立管长度L=3.6m

立管直径D=0.018m

管壁厚度=0.0025m

一端固定一端铰接，铰接的那一端的预应力是60N

立管的质量比为1.0，即立管的质量==附加质量ma，立管单位长度重量为2.545 N/m

计算介质为水，密度为998.2

1.2 双向流固耦合的主要结构

2.0 模型建立及网格划分

2.1 建立模型--designer modeler

在designer modeler中建立三维模型，这里简单说一下计算域的大小及设置。

入口：速度入口，入口处距离立管中心10.5D即10.5*0.018

出口：自由出流outflow,出口处距离立管中心30.5D

左右两边距离立管中心的距离为10.5D，前后、上下的边界条件为对称边界(symmetry)

2.2 创建外流场

• 创建->原语->选择框，之后按照入口和出口的距离进行设定，添加材料选择添加冻结，生成外流场

• 进行布尔操作(两次)，切割出流体域和固体域，并命名好，方便下一步操作

1. 在进行布尔操作的时候，注意参数的选择，参数的选择是提取。第一次注意要保留切分的工具(因为不能把立管也给切没了)，这次是切分出流体域，立管及立管中心的区域。

2. 第二次将立管中心的区域切除(这次不保留切分工具)，只剩下流域域water和固体域tube

3. 进行边界的命名，左边的是速度入口，右边的是自由出流出口。前后和上下为对称边界，且对流体域命名时，为选取方便，请抑制固体域

water_interface是流体域的面，tube_interface是固体域的面，就是这两个面进行数据的交互,Fluent求解动量及连续性方程，得到立管所受到的力，将力传递到Mechanical中；立管在力的作用下发生变形，改变了外流场，Mechanical将立管变形的数据传回Fluent中；Fluent通过动网格更新流场数据，并在新的流场下重新计算此时柱体受到的力，以此往复。system coupling在这里主要起到一个调度的作用。

命名完成后，则准备进行网格划分。本次主要使用ICEM进行流体域的网格划分，固体域的网格由于较简单，直接使用meshing进行划分

2.3 网格划分

这里简单说下流体域的网格划分，固体域的网格在设置瞬态分析时再说。此外，我所使用的都是国际单位制，长度的单位是m，所以我直接导入到ICEM中，单位换算这一步省略了，在后面Fluent的设置中也是一样的，不用进行模型的缩放。

• 这里是画流体域的网格，所以将固体域的tube_wall、tube_1_1、tube_interface都删除

• 删除water_2_1的原因，是因为需要重新构建，后面创建block后会重新生成的

2.3.1创建分割区域

在立管中心5D的圆形区域内设置为加密区域，上下都设置点位，方便后面根据点进行block的切分，将区域分成多个子区域，中心的圆形区域额外进行加密。

2.3.2创建block

注意block的名称命名为fluid,选择创建三维的block,之后关联点和线；在模型的点与线都和block的关联完成之后，准备进行block的切分

2.3.3 block的切分

根据之前设置的点位，依据点和线进行切分，将block分为9块

2.3.4 O切

整体的block切分完之后，对中心处的block进行O切，并进行关联，使得切出来的block映射到立管上

2.3.5 划分网格

文献中的来流速度u为0.15m/s，考虑到使用SST k-w进行连续性方程、动量方程的离散，则要求y+ < 1，根据y+计算器，求出第一层网格高度为0.0009m

在这里我确定第一层网格高度为0.0006m，使得y+ < 1，增长率为1.12；整体的网格划分，入口处分了26份，出口处分了50份，左右分了20份，增长率为1.12。轴向分了100份(依据参考文献2)

2.3.6 导出网格

在ICEM中画好了网格，只是还没生成实体的网格，就是网格预览的状态，到这一步后，如何将网格更新到fluent中

方法1

首先确保ICEM和Fluent是存在数据传输的，即使用传输线进行链接的。先点击保存按钮，在点击闪电的按钮，这样ICEM的网格就导入到Fluent中了

方法2

当然在平时的计算中，如果只打开fluent进行计算，还可以使用如图的设置，直接将网格文件单独保存

3. Fluent的设置

由于一直使用国际单位制，在fluent中也不需要进行网格的缩放，共69万个网格单元，有点少。。。主要电脑有点渣，多了的话算的时间太久了，耗不起的

x轴的负向为速度入口方向，z轴的正向为立管的长度方向。

3.1 边界条件的设置

模型使用SST k-w湍流模型，添加液态水，并将区域中的介质由空气改为水

根据参考文献1，本次数值 模拟的入口来流速度为0.15m/s

3.2 动网格的设置

使用弹簧光顺的diffusion方法进行动网格的更新，且由于绘制的为结构化网格，网格重构这一项即使打开了也没有任何作用。

diffusion parameter设置为1.6，这样可使得立管周围的网格尽可能的保持不变，仅远离立管的网格变形，保证立管周围边界层的稳定性以提高计算的精度

在选取动网格的区域时，选择water_interface，并且选择system coupling

3.3 设定参考值

3.4 定义监测变量

定义两个变量，一个是升力系数cl,另外一个是y方向的位移

3.5 计算参数的设置

选择的方法为SIMPLEC方法，其他的参数保持默认。计算时间步长，计算出的时间步长为0.04

但是为了前期更够更容易收敛，最终的时间步长定为0.01

4.0 立管材料的选取

5.0 Mechanical设置

5.1 更改材料

5.2 网格划分

使用扫掠的方法，指定立管底部的面为源，从底部向上扫掠，分为200份

立管截面仅布置一层网格，网格数量为20份,如果实际数的不够20份，可以将行为中的柔软改为坚硬

画好的网格就像这样

5.3 参数设置

1. 设定流固耦合交界面

2. 立管是一端固定支撑，一端铰接

固定支撑的很容易就设置成功，在Mechanical中是不能直接设置铰接的，只能别的方法来间接设置铰接，达到与铰接相同的效果

铰接意味着柱体可以旋转但是不能移动，故使用位移来设置，将位移的三个变量都设置为0,这样的效果就等同于铰接

5.4 分析设置

• 自动时步--关闭，就按照设置的来，不用自动调整

• 步骤结束时间---10s,这个算例打算计算10s,cpu不行，算的太慢了，就减少一点时间

• 时步---0.01s,时间步长和Fluent中保持一致

6.0 system coupling设置

进行system coupling设置

时间步长为0.01，点击workbench左上角的更新就可以计算,当然你得提前创建好数据传输

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这里提供计算文件：链接: https://pan.baidu.com/s/1oHzwjt8qDtPssMKy6sIeAg?pwd=8x93

提取码: 8x93