内容发布更新时间 : 2024/11/13 4:16:13星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

MSC.Dytran 流固耦合模拟分析之探讨

摘要：流场会驱动固体；而固体的运动也可能驱动流体，甚至引起流场振动。这称为流固互制或流固耦合。MSC.Dytran软件的流固耦合功能包含一般耦合、任意偶合，且采用拉格朗日法与欧拉法分别描述固体与流体的运动。拉格朗日的元素节点依附在材料上，节点随着材料质点作运动，故各物理量也作用在节点上随材料流动而变化。相反，除任意耦合外，欧拉元素网格与节点不随时间而变，其物理量虽也作用在欧拉元素节点上，但对于通过欧拉元素面的各时间的质量、动量与能量的进与出，加之模拟，即模拟元素面的材料流，而不模拟各材料质点的时间历程。因为对一般固体材料，要模拟各材料质点的时间历程，因此大多用拉格朗日法。而对于流体不需要模拟材料质点的时间历程，故采用欧拉法，MSC.Dytran的欧拉法需用三维的计算域、三维的体元素与DMAT通用材料。此外，欧拉法容许一个元素内含有两种以上的材料，这就是模拟计算材料流的扩散与混合行为。欲推广应用型的计算软件，需有充分的应用范例。关于流固耦合的模拟，除MSC.Dytran中文范例手册（1999b）与Example Problem Manual(2001a)论述到一般耦合与任意耦合的应用范例之外，本文进一步探讨其他的应用。而搭配的MSC.Patran软件除有Results的后处理工具外；该软件的Insight工具，能透明地看到体元素所构成的欧拉域内部，因此，更需用Insight，去展示欧拉域内部的流固耦合计算结果。

一、 前言

MSC.Dytran之流固耦合计算功能大致上包括一般耦合(general coupling)和任意耦合(ALE, Arbitrary Lagrangian-Eulerian)两大类。欲推动一项泛用型计算软件被广泛地应用，须有可供参考的文件及丰富的应用案例。而MSC.Dytran之中范例手册包括一个一般耦合和两个任意耦合的应用范例。MSC.Dytran 之Example Problem Manual (2001)也包括两个一般耦合、两个任意耦合的范例。

本文之要旨是经由案例，探讨MSC.Dytran软件对流固耦合（欧拉域）与固体（拉格朗日域）的一般耦合与任意耦合的模拟计算，以及MSC.Dytran软件对流固耦合计算之前后处理与模型结果展示。本文所叙述的流固耦合计算应用场合如下： ? 水下之固体物的告诉移动 ? 造波板与之波浪水槽

? 海面上之高速物体撞击混凝土墙 ? 上游侧与下游侧水深相等情况之潜堰 ? 上游侧与下游侧水深不等情况之固定堰 ? 上游侧与下游侧水深不等情况之阶梯式渠道 ? 固定开度之水利闸门

? 隧洞内之气爆压作用在钢板上 ? 隧洞内之水流推动固体物

二、 对运动的数学描述法

拉格朗日法与欧拉法是对运动现象的两类不同的数学描述，可说是分别对材料质点流与空间流之描述。拉格朗日法与欧拉法之元素网格可在同一计算模型内，但拉格朗日法的元素与欧拉法的元素分别拥有节点，只采用介面(interface)，称为耦合面，才能将两者连结在一起；否则，纵使两者在空间内相互重叠，也彼此不相干，即忽视对方之存在。

2.1 拉格朗日法

对固定的坐标系而言，拉格朗日元素的节点可相对地运动。因节点系附在材料上，故材料连续体之节点系一起随着材料质点流而运动。各拉格朗日元素的质量是不变量(invariant)，但其元素体积可随时间而改变。此外，速度、压力强度或质量密度等物理量系作用在拉格朗日元素的节点上，因此，各物理量系随着材料流(material flow)而改变。因对固体材料之行为， 较须追踪各材料质点之时间历程，故适宜采用拉格朗日法。拉格朗日法也适宜用以分析材料破坏(failure)或应变硬化(strain hardening)问题。

2.2欧拉法

除任意耦合(ALE)外，所有欧拉元素的网格与节点均保持固定，不随着时间或其他运动或变形。换言之，欧拉元素不随时间而变。各时间之速度、 压力强度或密度等物理量也是作用在欧拉节点上，系计算经欧拉元素面的各时间的质量、动量与能量等的进与出之量，而不追踪各材料质点之时间历程。 因对流体较不须追踪各材料质点之时间历程，故一般系采用欧拉法。MSC.Dytran之欧拉法必定使用三维的计算域及三维的体元素(solid elements)，且限于通用材料 DMAT。欧拉法之特点是：须采用较大之计算域，计算结果才不会受到计算域的边界之影响.

由于欧拉法系仿真经过欧拉元素面的材料流；且在一个元素之内，容许两种以上之材料，因此，应用欧拉法可模拟计算空气或水等材料流之扩散与混合现象。

三、 流固耦合计算法之种类

当固体影响流体之后，被改变后之流体反过来影响固体；另一方向，亦然，就是流固耦合。数值模拟计算是探讨分析流固耦合问题的主要方法之一。由于流场动压变化所产生之流场特性、固体之几何形状、振幅与振频等互有关系，故流固耦合本质相当复杂。纵使是单方向之流固耦合分析，对影响固体振动之水动力的附加质量也大多是估计。同时，也不易准确地预测及量化固体系统内部之阻尼与流体吸收动能之效应。因此，相关之数值模拟计算的难度相当高。

关于流固耦合之计算分析法可分为两大类如下：

3.1 单方向之流固耦合分析

此类分析为简化之流固耦合计算。即考虑固体单方向影响流体，但不考虑流体反过来影响固体；或反之。

3.2 双方向之流固互制分析

此类分析包括流固耦合的顺序分析法与完全的流固耦合分析法两种如下： 3.2.1 流固耦合之顺序分析法

此法系先分别计算流体与固体领域，每完成其中的一个领域之计算后，将计算结果作为另一个领域之荷载(loading)或边界条件，进行另一个领域的计算；反过来，也是相同的作法。当计算软件系由固力计算程序与流力计算软程序结合而成时，就采用此种分析法，MSC.Dytran 就是一例。 有些文献作较严格的定义，称此法并非耦合(uncoupled)分析，仅能称为流固互制分析。

3.2.2 完全的流固耦合分析法

将所有之流固耦合相关的参数、边界与荷载等均融入流场与固体所共享之控制方程式组内，再采用数值计算法，求解耦合的(coupled)联立方程式，故作较严格定义的文献认为此法才是真正的流固耦合分析。此种方式虽最完整，但难度也最高，故使用者最少。

四、流固耦合计算功能

MSC.Dytran 之流固耦合计算就是拉格朗日域(固体)与欧拉域(流场)的耦合计算，输入档内容直接相关者系 COUPLE卡或 COUPLE1卡。在计算过程内，拉格朗日域与欧拉域分别进行计算，每完成一个领域之计算后，再计算另一个领域；即前一领域之计算结果作为另一个领域计算所需之荷载或边界条件。至于 MSC.Dytran 的流固耦合计算，则分为两种如下：

4.1 一般耦合

通常是采用拉格朗日法模拟固体，以及采用欧拉法模拟流体。至于一般耦合(general coupling)，大多是拉格朗日的固体在欧拉的流场范围内运动，即拉格朗日域驱动欧拉域；流场虽有速度，但代表流场的欧拉格网系固定及不受拉格朗日的固体之影响。换言之，在流固耦合过程内，欧拉格网不移动，也不变形。一般耦合计算之前处理大多用封闭之假壳(dummy shell) 耦合面隔开拉格朗日域与欧拉域；于起始计算之时，拉格朗日的固体至少有一微小量(譬如，0.001 m)重叠在欧拉域的范围内，且固体、流体或两者有运动，才能启动流固耦合之计算器制。若拉格朗日域与欧拉域毫无重叠，则无法起动流固耦合计算。当然，拉格朗日的固体可完全位于欧拉域内，不因拉格朗日的固体运动而使欧拉格网移动或变形。此种流固耦合最适用在「固体驱动流体」现象之模拟，譬如，水上飞机降落在水面上之行为、水面下之物体的运动所引致之流体动力行为、隧道内之高速车辆引致的气动力