流体结构相互作用

结构力学流体结构相互作用

定义流体结构相互作用

流体结构相互作用(FSI)是描述流体动力学和结构力学的定律之间的多物理耦合。这种现象的特征是相互作用(可以是稳定或振荡)在可变形或移动结构以及周围或内部流体流之间的相互作用。

当流体流遇到结构时,应力和应变会施加在实心物体上时 - 可能导致变形的力。这些变形可能很大或很小,具体取决于流动的压力和速度以及实际结构的材料特性。

velocity field and von Mises stress in the structure.

">流体流中振动束的模型。

该模型描绘了速度场和冯·米塞斯压力在结构中。

该模型描绘了速度场和冯·米塞斯压力在结构中。

如果结构的变形很小,时间的变化也相对较慢,则流体的行为不会受到变形的极大影响,并且我们只能担心固体部分中所得的应力。但是,如果时间的变化很快,大于每秒几个周期,那么即使是小的结构变形也会导致流体的压力波。这些压力波导致振动结构的声音辐射。这些问题可以视为声学结构相互作用,而不是流体结构的相互作用。

然而,如果结构的变形很大,则流体的速度和压力场将随之变化,我们需要将问题视为双向耦合的多物理学分析:流体流量和压力场影响结构变形,影响结构变形,结构变形会影响流量和压力。

考虑设计和建模中的流体结构相互作用

在设计中,您可能要利用或避免流体结构相互作用的重大影响。

例如,蠕动泵等设备会利用明显的结构变形来轻轻泵送血液而不会损害活细胞。这样的泵是柔性管和刚性辊的组合,设计师必须关注流体速度,流体的剪切速率以及管道中的应力和变形。(有关蠕动泵FSI分析的示例,请参见本文:“蠕动泵的流体结构相互作用分析”

另一方面,工业搅拌机具有运动部件,但搅拌器可以被认为是搅拌流体的刚性零件。在分析此类系统时,混合效率是计算最重要的数量。如果设计师关心的话,可以计算搅拌器中的应力。固体结构甚至可以视为流体流中完全固定的障碍物,以计算固体材料中的应力。

在建模此类系统时,有多种适当的建模方法可用。您可能需要对Navier-Stokes方程用于流体流以及固体机制方程,以变形。Navier-Stokes方程可以以各种形式解决不同的流程度。甚至有可能简化流动的建模薄膜建模润滑膜。这些结构可以被视为刚性,经历了流体流量问题可以忽略的小偏转,或者具有显着影响流体流动的大偏转。

displacement in the micromirror.

">扭矩产生的位移。

动作的原因微龙的位移

动作的原因微龙的位移

elastic deformation.

">开放孔多边井中的弹性变形。

模型突出显示弹性变形

模型突出显示弹性变形

为每种情况选择建模方法的适当组合是解决流体结构相互作用问题的关键。

发布:2015年6月1日
最后修改:2017年2月21日