流体结构相互作用常规工作流

从具有完整定义的流体和固体域的解耦设置开始，Simcenter STAR-CCM+ 可用于定义常规 FSI 问题。

设置流体结构相互作用问题：
  1. 创建流体-结构交界面作为接触模式交界面（请参见定义区域布局）。
    不支持使用边界模式交界面作为流体-结构交界面。默认情况下，流体结构耦合求解器强制使用兼容设置（请参见模型兼容性）。如果使用边界模式流体-结构交界面运行 FSI 模拟，Simcenter STAR-CCM+ 将停止模拟并发出警告。
    • 如果尽管交界面类型不兼容也仍要继续模拟，选择求解器 > 流体结构耦合节点，然后将模型兼容性设为忽略。
  2. 确保将交界面类型设为映射接触交界面。要设置该类型，选择相关的交界面 > [FSI 交界面] 节点，然后将类型设为映射接触界面。
    Simcenter STAR-CCM+ 将探测流体/固体交界面并在区域 > [固体区域] > 边界 > [FSI 交界面] > 物理条件下添加 FSI 控制。

    除了添加 FSI 控制，Simcenter STAR-CCM+ 还会将流体结构耦合求解器添加到求解器节点。

对于双向耦合问题，强烈建议使用稳定方法。除了稳定求解，稳定方法还会加快耦合系统的收敛。
  1. 应用以下提供的两种稳定方法之一：
    • 对于具有较大位移流体体积的瞬态模拟，选择动态：
      1. 选择求解器 > 流体结构耦合节点，然后将稳定方法设为动态。
      2. 选择区域 > [固态区域] > [FSI 交界面] > 物理条件 > FSI 动态稳定节点，然后将方法设为自动或手动。
      3. 如果将方法设为手动，选择区域 > [固态区域] > [FSI 交界面] > 物理值 > FSI 动态稳定系数，然后将动力系数设为所选的值。例如，对于细长管内的水流，可将单位面积的位移流体体积估算为管内径的一半。

        使用动态稳定方法时，可以通过 FSI 动态稳定残差监视稳定的效果。残余值越大，稳定方法对求解的影响越大。要可视化固体承受的过余力，可以在固体区域 FSI 交界面边界上显示 FSI 动态稳定力。

    • 对于稳态模拟或所含位移流体体积可忽略不计的模拟，选择恒定位移亚松弛：
      1. 选择求解器 > 流体结构耦合节点并将稳定方法设为恒定位移亚松弛。
      2. 选择恒定位移亚松弛节点，然后设置亚松弛因子值。
    如果您选择的稳定方法不适合您的设置（例如，在稳态模拟中选择动态），Simcenter STAR-CCM+ 会将稳定方法重置为无。
  2. 选择区域 > [固态区域] > 边界 > [交界面] > 物理条件 > FSI 耦合指定节点，将选项设为以下选项之一：
    • 对于单向流体到结构和双向耦合问题 - 流体负载 - 压力和壁面剪切应力（默认）。
    • 对于压力主导的单向流体到结构和双向耦合问题 - 流体负载 - 压力
    • 对于壁面剪切应力主导的单向流体到结构和双向耦合问题 - 流体负载 - 壁面剪切应力
    • 对于解耦问题 - 解耦。
    流体区域 FSI 耦合指定是只读属性，由耦合的固态区域的运动控制（请参见 FSI 区域运动）。
如 FSI 求解策略所述，Simcenter STAR-CCM+ 可用于通过流体拉力跃升和剪切来配置力一致性。
  1. 如果要设置跃升：
    1. 选择区域 > [固体区域] > 边界 > [FSI 交界面] > 物理条件 > FSI 流体负载跃升节点，将选项设为线性。
    2. 选择物理值 > FSI 拉力线性跃升节点，并使用开始时间和停止时间属性设置跃升持续时间。
    注设置开始时间属性之前，必须设置停止时间。
  2. 如果要设置剪切：
    1. 选择区域 > [固体区域] > 边界 > [FSI 交界面] > 物理条件 > FSI 流体负载剪切节点，并激活压力、剪切力，或压力和剪切力属性。
    2. 选择物理值 > FSI 压力剪切或 FSI 剪切力剪切节点，并设置最小和最大最大值。
  3. 展开工具 > 运动节点，然后定义流体和固态区域的运动。
    • 对于固态区域，可以将其定义为静止，或应用刚体运动（例如平移或旋转）、固体位移运动（考虑固体变形）或刚体运动和固体位移的叠加。

      对固体变形对流体的影响建模时仅包含固体位移运动。如果不包括固体位移运动，则仍通过不应用于固体坐标来计算固体位移。

    • 对于流体，可以将其定义为静止、应用刚体运动或使用变形运动。变形运动根据固体运动和/或变形调整流体网格。
    [流体区域]运动 [固态区域]运动 情景
    固定或规定的刚体运动 固定或规定的刚体运动 忽略结构对流体的影响的任何模拟。流体区域和固态区域的刚体运动必须一致。
    变形 固定或规定的刚体运动 忽略结构变形对流体的影响，但考虑结构的任何刚体运动的影响的任何模拟。
    变形 固体位移+ 任何指定的刚体运动 考虑固体变形对流体影响的任何模拟。这包括单向结构到流体问题和双向耦合问题。
要为流体和固体区域分配运动：
  1. 选择区域 > [流体区域] > 物理值 > 运动指定节点和区域 > [固态区域] > 物理值 > 运动指定节点，并将运动设为工具 > 运动节点下为流体和固体定义的运动。
    如果将[固体区域] > 物理值 > 运动指定更改为固定、重置网格选项在清除求解对话框中不可用。有关更多信息，请参见重置网格。
  2. 变形流体时，如果流体边界未完全映射到流体-固体交界面，按如下所示设置未映射边界的变形方法：
    1. 展开 [流体区域] > 边界节点。
    2. 选择[未映射的流体边界] > 物理条件 > 变形指定节点并将指定设为浮动。


  3. 设置网格变形求解器属性。
    1. 选择求解器 > 网格变形节点，然后激活内部迭代变形。如果强制使用兼容设置（有关流体结构耦合，请参见模型兼容性），停用此属性时会导致错误。
    2. 要提高性能，可以激活边界层变形。但是，这可能降低流体求解的精度。
为了防止 FSI 模拟第一次内部迭代后停止，必须禁用全局力与位移停止准则。
  1. 在停止准则节点内，同时选择力标准和位移标准节点，并停止启用。
    要跟踪模拟收敛，可在残差图中查看交界面位移和交界面映射 FSI 拉力残差。这些残差将跟踪通过 FSI 交界面传递的映射 FSI 拉力和位移数据的差异。如果残差收敛到零，则认为求解在 FSI 交界面处处于平衡状态。

    为确保模拟已收敛，建议将这些残差与其他物理量和停止准则结合使用。