导读：介绍流固耦合的基本概念以及Ansys仿真基本流程。
流体流动过程中和固体之间互相作用、互相影响的过程: 流体会将自身的压力载荷和热载荷传输给固体 固体受气体压力/热载荷后会发生变形, 如变形大到足以影响流场, 则需采用双向流固耦合（双向流固耦合：2-way FSI） 固体变形较小则对流体的反向影响可以忽略 (单相流固耦合：1way-FSI) 固体也可能同时受到其他外力影响发生变形, 进而影响流体流动 固体受外力影响发生大变形影响流体流动也需采用双向流固耦合分析 (2-way FSI)
许多复杂的非定常问题同时涉及流体和固体之间的相互作用 只有采用双向流固耦合分析方法才能捕捉物理现象的本质
流固耦合分析可按照物理现象之间的关联程度进行分类，一种物理场和另一种 物理场的耦合程度如何 不同物理场之间耦合程度较高情况下需要采用双向耦合 不同物理场之间耦合较弱的情况下可以采用单向耦合求解方法
流体方程和结构方程单独分开求解, 类似于 湍流在CFD仿真中和动量方程分开来求解 流体求解器和结构求解器一般是单独分开的 在每个时间步长内流体和求解分布迭代求解, 直至交界面上的数据完全收敛 Ansys可通过Fluent + Mechanical实现双向隐 式流固耦合求解
MAPDL和CFD之间传输的数据需要进行多步的耦合迭代求解以达到收敛 类似于在CFD和FEA中求解时也需要进行迭代以求得收敛的计算结果 气动力、几何变形、温度、热流、换热系数+换热系数参考温度均可以进行传递
Field Loop在单物理场求解收敛后停止迭代（或 达到最大迭代步数后） CFD无需在每一个耦合步中都收敛, 只需要在一个时间步的最后一个耦合步中收敛即可 Coupling Loop在耦合面上的传输数据收敛后停止迭代（或达到最大迭代步数后） 确保每一个单个流场和传输数据均收敛后再进入下一个时间步 假设Fluent的Field Loop迭代步数是10, Coupling Loop的迭代步数是5, 总时间步是 100 , 那么 Fluent总的最大计算步数是 10 * 5 * 100=5000
基于Fluent和Mechanical的稳态/瞬态的单向/双向耦合仿真 气动力/几何变形在Fluent和Mechanical之间进行传递 热流和换热系数在Fluent和Mechanical之间进行传递 耦合仿真进行迭代计算, 求得隐式的计算结果 所有的结果单元都适用, SOLID/SHELL/SOLSH单元等; 适用于Fluent 的大部分功能 支持停止以后的继续计算; 支持在CFX-Post中进行后处理; 支持参数化;
全瞬态双向流固耦合仿真：可实现变形、气动载荷、温度载荷在流体和固体之间的传输 Workbench提供流固耦合分析的标准流程 将Fluent的Setup单元和Static/Transient/Thermal的Setup连接到System Coupling的Setup上去 几何可以进行共享 流体域和固体域的网格分别单独划分 Solution的更新统一在System Coupling中进行 如果要考虑结构热分析的话则需调用Structural模块
导入及创建几何 可在DM或SCDM中抽取流体域 Mechanical中设置 同标准Mechanical中的设置非常类似 将需要进行流固耦合数据交换的面设置为Fluid Solid Interface 对于Structural + Thermal耦合需要用命令行选 择耦合单元并设置热边界条件
首先创建流体域网格（暂时不支持多面体网格） Fluent中设置 和标准Fluent中仿真流程设置非常相似 选择Dynamic Mesh来接受网格变形 对耦合面选择system coupling选项 如果要考虑温度传递的话, 需要激活壁面Thermal 选项下的via System Coupling选项
设置右键System Coupling的Setup选择Refresh 此操作会读入Fluent和Mechanical中最新的设置 双击打开System Coupling设置界面 设置: End Time 时间步长: StepSize 每个时间步内的最大/最小计算步数 创建数据交换界面Data Transfer(交换气动载荷与变形) 其他耦合设置
设置完成后可启动求解计算 点击Update启动计算 可在界面中查看耦合面的数据收敛情况 可在下方收敛日志中查看计算数据
计算完成后可以调用单独的Result Post进行后处理结果显示 也可将Transient/Thermal中Solution单元拖曳到Fluent的Results同意查看流体和固体的计算结果。
导读：介绍Fluent和Mechanical流固耦合设置。
Number of Steps设置为 1 , Step End Time不能小于 所需计算的时间
只允许单步载荷加载, 可通过重启计算来改变载荷; 或使 用Table数据列表来模拟随时间变化的载荷 Time Duration由SC控制, 但是不能比Step End Time更大 设置Auto Time Stepping = Off, Define By = Substeps, Number of Substeps =1
如果MAPDL的计算时间步长小于Fluent的时间步长, 可以 选择Auto Time Stepping或Multiple substeps，整个时间步长 是以sC当中设置的为准 设置Define By = Time时要小心; SC中设置的时间步长会被 MAPDL采用 Time Integration- Analysis Data Management
设置Solver Units = Manual
设置Solver Unit System = mks 该设置表面将会采用选择的单位体系替换Workbench和 Mechanical的单位体系; 推荐用户采用该设置, 因为很多情况 下用户并不清楚其他电脑安装的Ansys软件默认为何种单位体 系
在瞬态计算中设置为On: 可考虑非定常效应 (如惯性等) 的影响 也可以设置为Off, 则可以产生稳态结果：可以用来产生初 始化结果, Fluent仍然要设置为瞬态计算 Large Deflection
一般情况下均设置为On 如果设置成Off, 则在计算过程中网格不会发生变形, 整个 耦合过程的载荷均作用在初始网格上 Restart Control
Generate Restart Points = Program Controlled: 频率由SC控制 Retain Files After Full Solver = Yes: 必须设置为Yes以允许重启计算 Damping Control
流体一般情况下均会提供阻尼 主要用来模拟结构计算中的能量耗损 Numerical Damping Value = 0.1为默认值来模拟能量耗损; 如果耗损值是需要关注的量 Analysis Data Management
设置Solver Units = Manual 设置Solver Unit System = mks 该设置表面将会采用选择的单位体系替换Workbench和 Mechanical的单位体系; 推荐用户采用该设置, 因为很多情况下用户并不清楚其他电脑安装的Ansys软件默认为何种单位体系
当交界面出现明显的转折角度时, 应当将 2 个面分开, 避免出现数据 映射问题 一个面只能包含在一个Fluid Solid Interface内 流固耦合交界面不能出现重合现象
可以使用接触探测功能查看FSI交界面的接触情 况 可能会在Fluent中引起拓扑结构问题 可以采用Contact Offset来模拟接触, 同时无需把接触间隙设置为 0 避免在Fluent中引起拓扑结构问题 流体会在间隙处发生泄漏: 有可能会对计算结果有影响 但是一般情况下影响不大
选择Solution Information, 选择Result Tracker > Deformation 在几何结构中选择一个节点, 或者在工具栏中选择 选择一个网格节点
计算完成后会自动生成一个图表, SC在求解过程中会更 新和显示监测数据的变化
为了在耦合面上同时传递结构和传热数据, Data to Transfer [Expert] 设置为All System Coupling Data Transfers 此设置可激活传热数据的传输功能 需要添加命令行, 激活耦合场单元, 并设置 结构热边界条件
Set up区域和边界条件设置如常 选择Dynamic Mesh, 设置Dynamic Mesh区域为System Coupling选项 设置SC区域的面可以接受变形传递 默认区域均为静止区域
动网格区域的System Coupling耦合面, 可以 在Solver Option页面下勾选Solution Stabilization 对于强耦合计算, 该参数可以加强力/变形 传递的稳健性, 避免计算发散
可在Setting Up Physics设置参考压力为 0 可设置其他参考尺寸、密度等，用于后续的 无量纲化参数分析 参考压力设置为 0 , 则气动力等同于绝对压 力, 否则传递的为相对压力
对于需要进行热量交换的FSI交界面, 需要进 行设置以接收热交换数据 设置相应的流固耦合交界壁面的thermal选项 为via System Coupling 刚格匹配的共轭传热CHT交界面均可设置耦 合界面用于传递热量 Fluent可以向外传递：温度、热流量、换热 系数和参考温度 Fluent可以接收：温度、热流量
可以在FSI交界面上创建力、热量传递数据的 监测量 获取每一个时间步的FSI交界力、热量传递数 据监测结果, 判断该时间步内计算是否收敛 可以协助判断计算发散的原因 勾选Report File和Report Plot来输出监测曲线 和监测文件
一般情况下Fluent的输出结果设置按默认即可 可在Automatic Export页面下对输出格式、输 出间隔进行修改
无论是对可压还是不可压流体, 建议流体的 密度都不要设置为常数; 对低速、高速气体 最后均设置为理想气体, 即密度是温度变化 的函数 对于液体也要设置为可压缩液体（即使液体 的密度随温度和压力的变化很小），这对于 求解收敛有极大的好处
瞬态求解格式选择: 默认为1st隐式求解, 推 荐使用2st隐式格式求解 格式可能需要更小的时间步长以求得收敛 的结果
时间步长Time Step Size和步数Number of Times Steps是由System Coupling界面中的参 数来控制 每个时间步内的最大迭代步数不要太大, 默 认值为 20 , 一般建议改为 10
当在Fluent中修改了设置以后, 需要首先选 择 File > Save Project 保存案例 点击图标中的Synchronize WB cell status使得 状态与WB保持同步
当结构和流体设置均完成后，System Coupling的Setup单元状态显示为绿色循环箭头
右键点击Update进行更新，并双击打开System Coupling界面进行设置
操作界面分为：操作树、监测曲线显示、细节设置信息和秋姐儿信息显示4部分
Duration Control: SC界面中对结构和 流体的求解时间长度进行统一控制 Setup Control: 对瞬态计算, 为结构 和流体的时间步长设置时间步长和 结构、流体数据交换迭代步数 对稳态计算, 设置结构和流体数据 交换迭代的步数
在SC的Participant下会显示结构和流 体的各个耦合交界面 Fluent的各个壁面名称都会显示, 设 置为流固耦合交界面的可进行后续 匹配, 普通的壁面可向结构计算单 元单向传递气动力和换热数据 Mechanical中的FSI交界面都会显示出来 按住Ctrl键同时选择需要匹配的流体和固 体耦合交界面, 然后右键选择Create Data Transfer完成创建
System Coupling Participants设置
一组流固耦合交界面创建完成后会包括 2 个Data Transfer条目, 一个用来向结构单 元传递力, 一个用来向流体单元传递形 变 对于流热耦合交界面创建完成后会包括3 个Data Transfer条目, 温度、换热系数、 近壁面温度 对流热固耦合交界面, 会包含上述全部 的5个Data Transfer条目
Ramping当中包含2个选项 None: 所有传递数据在第一个迭代交换步一次性加载完成 Linear to Minimum Iteration: 在整个时间 步数内, 载荷数据以线性方式逐步加载; 由Minimum Iteration数来控制
intermediate Restart Data Output：设置中间过程保存文件的间隔，可以用来在计算中断以后进行重启计算
对于流固耦合计算而言, Mechanical Analysis Setting中的设置大部分情况下和一般计算均一致, 无需针对不同问题做大的改动 需要在Mechanical中对需要传递变形的面设置为Fluid Solid Interface以进行后续的数据传递 在Fluent中需要选择开启动网格Dynamic Mesh设置界面, 激活System Coupling选项来选择需要进行数据传递的耦合交界面 可在Fluent中对耦合交界上的力、热量交换等数据创建计算监测点 可在Mechanical中用Solution Trackers监测某个点的变形量 在System Coupling界面中创建流固耦合数据交换面、计算步和时间步长; 设置保存计算文件的间隔, 防止计算过程中断后继续计算
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