一种界面双向数据交换的流固耦合计算方法技术

本发明专利技术涉及流固耦合技术领域，具体涉及一种基于界面双向数据交换的流固耦合计算方法，该方法固体域计算结构动力学采用商用软件ABAQUS的隐式算法，计算流体动力学则采用Fluent平台进行计算，最终两者计算的数据以MPCCI平台进行交换，利用流体域/固体域界面上的数据耦合交换的方法，对建立的CFD/CSD模型进行求解，把流体域力场与固体域基础结构承载能力紧密联系起来，以达到解决工程中的水力学与结构耦合计算问题研究的目的。

A fluid structure coupling calculation method for bidirectional data exchange of interface

【技术实现步骤摘要】
一种界面双向数据交换的流固耦合计算方法
本专利技术属于流固耦合计算方法
，具体涉及一种界面双向数据交换的流固耦合计算方法。
技术介绍
流固耦合作用是自然界客观存在的一种特殊现象，是指流体与固体之间的相互作用，在自然界随处可见，但是流体域与固体域均不可单独求解，因此要解决这个问题，需要将流固耦合然后进行求解。流固耦合力学是流体力学与固体力学及交叉形成的一门力学分支，是研究流体固体两种介质相互作用的一种具体手段。目前国内外针对流体域-固体域耦合在一起进行计算的研究均有不同程度的优势和缺陷，传统计算的做法是分别计算水体与固体的作用，在水体域计算中固体域的边界被设置为刚体，在固体域计算中流体域的作用通过简化的荷载形式进行施加，由于水体域与固体域在计算中会相互影响，故单单考虑水体或固体域结构并不能满足实际需求，为了解决这种矛盾，就必须想办法将流体域和固体域相结合，考虑它们之间相互作用的影响，因此对于流固耦合问题的研究势在必行。
技术实现思路
针对目前流固耦合方法存在的缺陷和问题，本专利技术提供一种界面双向数据交换的流固耦合计算方法，该方法通过双向耦合，将流体力场与固定基础结构承载能力紧密联系起来，为研究结构损伤发展及变化的规律，以及耦联系统结构的流固耦合作用机理与损伤破坏模式提供技术支持。本专利技术解决其技术问题所采用的方案是：一种界面双向数据交换的流固耦合计算方法，包括以下步骤：Step1、建立固体域模型：固体域计算结构动力学采用商用软件ABAQUS的隐式算法，建立CSD固体域有限元模型。Step2、对固体域模型进行有限元网格划分，再设置固体域单元类型和材料属性，进一步对固体域模型分别施加约束条件和施加载荷条件进行结构分析，使其与实际条件相符。Step3、建立流体域模型：计算流体动力学则采用Fluent平台进行计算，形成CFD流体分体模型。Step4、对流体域模型进行流体域网格划分，并对网格质量检查，网格质量合格时，对边界条件和初始条件进行设置；网格质量不合格时继续对网格质量进行检查，然后通过动网格技术进行网格重构并对流场进行模拟，使其与实际条件相符。Step5、生成动网格：分别将Step1中的CSD固体域有限元模型和Step2中的CFD流体分体模型通过MPCCI联合起来进行计算生成动网格。Step6、建立流固耦合的数据交换模型：通过流固耦合数据交换类型将流场模拟、动网格技术折合成固体域的施加荷载，并施加在固体域上；数据交换是通过设置流固交界面来编辑水体与渠道面板之间的相互作用，动网格间数据交换是在数据传递过程中采用双向耦合的方法，所述动网格间流固耦合过程分为三步：1、预接触搜索：通过对流体域与固体域交界面处的单元进行分类，分别记录源网格和目标网格上的单元信息，为下一步的网格联系做准备；2、网格联系：流体域与固体域交界面处的网格是不匹配的，流体域网格要想与固体域网格进行数据传递，每一组源网格均需与对应的一组目标网格建立联系从而为插值计算做准备；3、通过插值函数进行插值计算：通过插值算法进行耦合界面间的数据交换，插值算法需要同时满足位移连续性条件和动力连续性条件；a位移连续性条件：uf＝usb动力连续性条件：σsns＝σfnf式中：uf、us分别表示流体和固体位移矢量；us分别表示结构与流体的柯西应力张量；σs、σf分别表述结构与流体的外法线方向矢量。Step7、通过以上各步骤将双向流固耦合视为整体的耦联体系结构，对该耦联体系结构进行分析得出耦连体系损伤的体制的结论。上述的一种界面双向数据交换的流固耦合计算方法，Step2中对固体域模型进行有限元网格划分还包括对固体域模型进行CDP本构模型的设置。上述的一种界面双向数据交换的流固耦合计算方法，所述CDP本构模型指的是结构损伤机制。上述的一种界面双向数据交换的流固耦合计算方法，Step3中还包括在建立流体域模型时，选择合适的湍流模型，所述湍流模型为零方程模型、单方程模型、两方程模型、雷诺应力模型和大涡模拟模型的一种或几种。上述的一种界面双向数据交换的流固耦合计算方法，Step6中所述预接触搜索过程包括：(1)将流体域与固体域交界面处的每个单元分解为不同的次级单元；(2)在分解得到的次级单元的外围分别划定1倍与1.5倍的边界；(3)将(2)中划定得到的边界进行划分为9个小正方形。上述的一种界面双向数据交换的流固耦合计算方法，Step6中所述预接触搜索过程包括：(1)将流体域与固体域交界面处的每个四边形单元分解为两个不同的三角形单元；(2)在(1)分解得到的两个三角形单元的外围分别划定1倍与1.5倍的正方形边界得到两个正方形边界；(3)将(2)中划定得到的两个正方形边界划分为9个小正方形从而将四边形单元分解为9个小单元。上述的一种界面双向数据交换的流固耦合计算方法，Step6中所述网格联系是在预接触搜索后，根据记录的节点信息搜索出与源网格单元节点邻近的目标网格单元节点，再通过节点信息找出源网格与目标网格相对应的最邻近单元。上述的一种界面双向数据交换的流固耦合计算方法，Step6中所述网格联系可以通过单元来寻找最邻近单元，步骤如下：(1)将流体域与固体域交界面处的所有单元分解为三角形；(2)建立边界方块，记录建立的边界方块与三角形目标单元相交产生的三角形小方块；(3)将(2)记录的三角形小方块投射到平面上从而寻找到最邻近的三角形单元。本专利技术的有益效果：1、本方法充分考虑流固耦合的特点，采用多物理场耦合的CFD/CSD双向流固耦合求解方法，将固体域与流体域视为整体的耦联体系结构，把流体域力场与固体域基础结构承载能力紧密联系起来，研究其结构损伤发展及变化的规律，从而为更深入地研究该耦联系统结构的流固耦合作用机理与损伤破坏模式提供支撑。2、由于流体域在一些荷载下会产生波动且每时每刻都在变化，因此流体域的变化导致施加于固体域的力的属性也不一样，本专利技术根据流体域的变化通过MPCCI数据交换，能够将实时的数据进行转化，得出的结果更真实可靠，流场细节展现更为丰富。3、本方法计算精度较高、流场细节展现丰富，有效保证了耦合界面信息交换时能量守恒和边界层网格质量有效控制等问题，大大提高了模拟精度。4、充分考虑流体域和固体域之间的相互影响，使流体力场与固体域基础结构承载能力紧密联系。5、本专利技术使用的计算流程物理概念清晰，计算过程简单，易于程序设计，便于处理复杂的流固耦合问题。附图说明图1为本专利技术流固耦合计算流程图。图2为湍流模型示意图；图3为流固界面数据传递原理图；图4为弹簧光顺和网格重构结合示意图。图5为预接触搜索过程示意图。图6为网格最小距离示意图。图7为网格单元映射示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种界面双向数据交换的流固耦合计算方法，其特征在于：包括以下步骤：/nStep1、建立固体域模型：固体域计算结构动力学采用商用软件ABAQUS的隐式算法，建立CSD固体域有限元模型；/nStep2、对固体域模型进行有限元网格划分，再设置固体域单元类型和材料属性，进一步对固体域模型分别施加约束条件和施加载荷条件进行结构分析，使其与实际条件相符；/nStep3、建立流体域模型：计算流体动力学则采用Fluent平台进行计算，形成CFD流体分体模型；/nStep4、对流体域模型进行流体域网格划分，并对网格质量检查，网格质量合格时，对边界条件和初始条件进行设置；网格质量不合格时继续对网格质量进行检查，然后通过动网格技术进行网格重构并对流场进行模拟，使其与实际条件相符；/nStep5、生成动网格：分别将Step1中的CSD固体域有限元模型和Step2中的CFD流体分体模型通过MPCCI联合起来进行计算生成动网格；/nStep6、建立流固耦合的数据交换模型：通过流固耦合数据交换类型将流场模拟、动网格技术折合成固体域的施加荷载，并施加在固体域上；数据交换是通过设置流固交界面来编辑水体与渠道面板之间的相互作用，动网格间数据交换是在数据传递过程中采用双向耦合的方法，所述动网格间流固耦合过程分为三步：/n1.预接触搜索：通过对流体域与固体域交界面处的单元进行分类，分别记录源网格和目标网格上的单元信息，为下一步的网格联系做准备；/n2.网格联系：流体域与固体域交界面处的网格是不匹配的，流体域网格要想与固体域网格进行数据传递，每一组源网格均需与对应的一组目标网格建立联系从而为插值计算做准备；/n3.通过插值函数进行插值计算：通过插值算法进行耦合界面间的数据交换，插值算法需要同时满足位移连续性条件和动力连续性条件；/na位移连续性条件：u...

【技术特征摘要】
1.一种界面双向数据交换的流固耦合计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
Step1、建立固体域模型：固体域计算结构动力学采用商用软件ABAQUS的隐式算法，建立CSD固体域有限元模型；
Step2、对固体域模型进行有限元网格划分，再设置固体域单元类型和材料属性，进一步对固体域模型分别施加约束条件和施加载荷条件进行结构分析，使其与实际条件相符；
Step3、建立流体域模型：计算流体动力学则采用Fluent平台进行计算，形成CFD流体分体模型；
Step4、对流体域模型进行流体域网格划分，并对网格质量检查，网格质量合格时，对边界条件和初始条件进行设置；网格质量不合格时继续对网格质量进行检查，然后通过动网格技术进行网格重构并对流场进行模拟，使其与实际条件相符；
Step5、生成动网格：分别将Step1中的CSD固体域有限元模型和Step2中的CFD流体分体模型通过MPCCI联合起来进行计算生成动网格；
Step6、建立流固耦合的数据交换模型：通过流固耦合数据交换类型将流场模拟、动网格技术折合成固体域的施加荷载，并施加在固体域上；数据交换是通过设置流固交界面来编辑水体与渠道面板之间的相互作用，动网格间数据交换是在数据传递过程中采用双向耦合的方法，所述动网格间流固耦合过程分为三步：
1.预接触搜索：通过对流体域与固体域交界面处的单元进行分类，分别记录源网格和目标网格上的单元信息，为下一步的网格联系做准备；
2.网格联系：流体域与固体域交界面处的网格是不匹配的，流体域网格要想与固体域网格进行数据传递，每一组源网格均需与对应的一组目标网格建立联系从而为插值计算做准备；
3.通过插值函数进行插值计算：通过插值算法进行耦合界面间的数据交换，插值算法需要同时满足位移连续性条件和动力连续性条件；
a位移连续性条件：uf＝us
b动力连续性条件：σsns＝σfnf
式中：uf、us分别表示流体和固体位移矢量；us分别表示结构与流体的柯西应力张量；σs、σf分别表述结构与流体的外法线方向矢量。
Step7、通过以上各步骤将双向流固耦合视为整体的耦联体系结构，对该耦联体系结构进行分析得出耦连体系损伤的体制的结论。


2.根据权利要求1所述的一种界面双向数据交换的流固耦合计算方法，其特征在于：Step2中对固体域模型进行有限元网...

【专利技术属性】
技术研发人员：许新勇，段春青，聂相田，徐昕昀，张程，许文杰，谢晨龙，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：河南;41