關(guān)鍵詞：COMSOL；U形渡槽；流固耦合；有限元分析

流固耦合力學(xué)是流體力學(xué)與固體力學(xué)交叉而生成的一門力學(xué)分支，它是研究變形固體在流場作用下的各種行為以及固體位形對流場影響這二者相互作用的一門科學(xué)。

任何一個固體和流體之間相互作用的多物理場問題，都屬于流-固耦合（FSI）。通常，當(dāng)固體結(jié)構(gòu)與流動的流體接觸時，流體會對結(jié)構(gòu)的邊界施加壓力和黏性力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形；反之，變形后的結(jié)構(gòu)又可以作為流體的移動壁邊界，并改變流場。流體與固體之間的相互作用可以是單向的（單向耦合）或雙向的（雙向耦合）。流-固耦合分析的目的是計(jì)算結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力和應(yīng)變以及流體流動的速度和壓力場。

大多數(shù)解決流-固耦合問題的常規(guī)分析或數(shù)值方法都很復(fù)雜，而 COMSOL 軟件具有輕松耦合不同物理場接口的功能，簡化了建模工作。COMSOL Multiphysics 提供了一組預(yù)定義的多物理場接口，這些接口可以將不同的結(jié)構(gòu)力學(xué)接口（例如固體力學(xué)，多體動力學(xué)，殼 和膜）與不同的流體流動接口（單相或多相流動）相耦合，用于流-固耦合模擬。

圖1 COMSOL流固耦合分析

【模型信息】U形過水?dāng)嗝姘霃胶驮O(shè)計(jì)水深為3m，建立三維簡支渡槽模型如下圖所示。

圖2 三維渡槽模型

【層流&力學(xué)參數(shù)設(shè)置】耦合接口選擇層流和固體力學(xué)，耦合類型為全耦合，設(shè)置水流速為0.02m/s，在渡槽端部底面設(shè)置簡支約束。對模型施加重力加速度g。

圖3 流固耦合參數(shù)設(shè)置

【優(yōu)化結(jié)果云圖】提取耦合后的速度，位移和應(yīng)力云圖。

圖4 流體壓強(qiáng)分布和流速分布云圖

圖5 渡槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形云圖

由上圖可以看出，在全耦合的條件下，入口渡槽端部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較大，變形較大位置也均出現(xiàn)在此處，對于受力較為集中位置可適當(dāng)細(xì)化網(wǎng)格密度。渡槽結(jié)構(gòu)下的流體充分發(fā)展流動且出入口的選擇對于整個結(jié)構(gòu)的受力尤為重要。

【注】本次模型設(shè)置較為復(fù)雜，其中CAD三維模型導(dǎo)入COMSOL的細(xì)節(jié)處理，層流區(qū)域和后處理過程較為復(fù)雜，文中并未展示完全。

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