流固实例

ADINA软件教学实例编辑，BY lzhCAD， 2003年8月1日 1 实例 3 隧道内具有柔性结构的流固耦合分析 问题：隧道内具有柔性结构的流固耦合如图 3-1所示。 一、目的 1. 掌握流固耦合作用 FSI在 Adina-AUI中的操作过程。 2. 掌握用伸缩比例因子画流固耦合模型。 3. 定义引导点(leader-follower points)。 二、定义模型主控数据 1. 定义标题： 选Control®Heading®敲入标题“exe03: Fluid flow over a flexible structure in a channel, ADINA input” ®and click OK。 2. FSI分析： 在右边Analysis Type区选FSI按钮。 3. 主控自由度 选Control®Degrees of Freedom®不选X-Translation, X-Rotation, Y-Rotation and Z-Rotation 按钮 ®and click OK。 4. 分析假设：大位移，小应变。 选Control®Analysis Assumptions®Kinematics®设置“Displacements/Rotations” 为 Large® click OK。 (注：非常薄的结构，因此为小应变)。 图 3-1 流体-固体结构示意图 ADINA软件教学实例编辑，BY lzhCAD， 2003年8月1日 2 三、力学模型 1. 柔性结构建立模型 1). 柔性结构几何模型 坐标点如表 3-1，几何结构如图 3-2所示。 其几何面见表 3-2所示。 ①选Define Points图标®按表3-1输入几何点坐标® click OK. ②选Define Surfaces图标®设置TYPE为Vertex® click OK(如图3-2所示)。 2). 施加固定边界条件和流-固边界条件 ①. 图3-2中，在L2线上施加固定约束，其过程可用Adina-AUI完成。 ②. 流-固边界，选Model®Boundary Conditions®FSI Boundary®add FSI boundary number 1®在表中头两行敲 入流固边界线编号1和 3 and click OK。 3). 定义材料特性 弹性模量 1.0×106(dyne/cm2)，泊松比 0.3。(线弹性问题) 选Model®Materials®Elastic_Isotropic®add material 1, 设置弹性 模量1.0E6®泊松比 0.3 and click OK. 4).定义单元和单元划分 (1). 2-D 实体单元，此问题属平面应变问题。 Element group: 选 Meshing®Element Groups® 增加单 元组号 1® 设置 the Type to 2-D Solid®设置 the Element 柔性结构 图 3-2 几何模型 表 3-1 模型几何点坐标 几何点 X1 X2 X3 坐标系 1 30.025 15.0 0 2 30.0 0.0 0 3 30.05 0.0 0 表 3-2 由几何点建立几何面 点 P 面 S P1 P2 P3 P4 1 1 2 3 1 图 3-3 结构网格 ADINA软件教学实例编辑，BY lzhCAD， 2003年8月1日 3 Sub-Type to Plane Stain and click OK. (2). 网格密度划分 所有点设置均匀密度： ①. Choose Meshing®Mesh Density®Line®选线编号1®设置划分为5段®在表中第一 行敲入线编号3® and click OK. ②. 选 Mesh Surface图标®设置 “Number of Nodes per Element” 为 9, 选择 “Triangular Surfaces Treated as Degenerate” 按钮®在表中第一行敲入面编号 1®click OK. (如图3-3所示)。 ③. 用伸缩比例因子显示网格模型，选Modify Meshplot 图标®click the View… 按钮®设置 X 伸缩比例为100.0 ®在对话框中click OK两次(结果如图3-3所示)。 5). 保存结果 选 Data File/Solution图标, 敲入文件名exe03_a®不选Run ADINA 按钮® click Save。 2. 流体建立模型(Adina-F) 1). 在菜单中选 New® 建立一个新的 ADINA-IN数据库。 2). 从模块下拉式菜单中选ADINA-F。 3). 设置FSI分析：在右边的分析类型中选定FSI选项。 4). 流体假设：选Model®Flow Assumptions®设置 Flow Dimensions为2D (在YZ平面) ®设 置the Default Upwinding Type为 Finite Element®去掉Includes Heat Transfer 选项® and click OK。 5). 时间步长和时间函数： 垂直入口分20步计算。 ①. 选 Control®Time Step®在表中第一行敲入20® click OK。 ②. 选 Control®Time Function®编辑表3-3®click OK。 6). 流体几何模型建立 坐标点如表 3-4，几何结构如图 3-4所示。 选Define Points图标®按表3-4敲入坐标数据®click OK。 (没有按比例化) 图 3-4 流体几何模型 表 3-3 时间函数 time value 0.0 0.0 20.0 0.04 表 3-4 模型几何点坐标 几何点 X1 X2 X3 1 500 40 2 30.025 40 3 0 40 4 500 15 5 30.025 15 6 0 15 7 500 0 8 30.05 0 9 30 0 10 0 0 ADINA软件教学实例编辑，BY lzhCAD， 2003年8月1日 4 选Define Surfaces图标®设置TYPE为Vertex® 按表3-5建立几何面®click OK(如图3-4所示)。 3). 定义材料特性 选Model®Materials®Constant®add material 1®设置速度 Viscosity 为 1.7E-4®设置 Density 为0.001 ®and click OK。 4). 定义边界条件和载荷 ①. 壁面边界条件：在上下壁上施加无滑移(no-slip)壁面边界条件。 选Model®Special Boundary Conditions®add special boundary condition 1 ®检查类型为 Wall。在Line#表中头四行分别敲入壁面线编号1, 5, 9 and 12 ®Click OK。 ②．流固耦合边界条件(FSI)： 选 Model®Special Boundary Conditions®add special boundary condition 2® Type to Fluid Structure Interface，且确保Fluid-Structure Boundary 为 1。在Line#表中头两行分别敲入 壁面线编号8 and 13 ®Click OK。 ③. 载荷：在隧道入口施加垂直载荷 选 Apply Load 图标®设置Load Type® Normal Traction， 并在右边Load Number field 按 Define... 按钮® add Normal Traction 1, 设置 Magnitude 为1.0 ®and click OK。在Apply Usual Boundary Conditions/Loads 对话框表的头两行Site#分别敲入线编号 6 和11®click OK。 表 3-5 由几何点建立几何面 点 P 面 S P1 P2 P3 P4 1 1 2 5 4 2 2 3 6 5 3 4 5 8 7 4 5 6 10 9 图 3-5 模型载荷及其边界条件 图 3-6 模型几何面网格划分 ADINA软件教学实例编辑，BY lzhCAD， 2003年8月1日 5 5). 定义流体导向关系 为了保持好的网格质量，需要几何点2跟随几何点5沿隧道壁面移动。 选Meshing®ALE Mesh Constraints®Leader-Follower。在表的第一行设置Label # to 1，设置 Leader Point # to 5®设置Follower Point # to 2® and click OK。 6). 定义网格单元 ①选Meshing®Element Groups® add element group 1®确保单元类型为2-D Fluid® 设置 Element Sub-Type为Planar and click OK。 ②选Meshing®Mesh Density®Surface®每个面划分的段数如表3-6所示®and click OK(如图 3-6所示)。 注： 在图3-6中沿柔性结构有6个流体单元，在图3-3中只有5个固体单元，而且流 体单元为3-节点线性单元，固体单元为9-节点四边形单元。 ③网格划分：选Mesh Surface图标®在表中头四行分别敲入面积编号1, 2, 3, 4® click OK。 7). 保存结果 选 Data File/Solution图标, 敲入文件名 exe03_f®不选 Run ADINA-F 按钮® click Save。 表 3-6 由几何面划分段数 点 P 面 S u (数) v (数) u (比率) v (比率) 1 50 11 4.0 1.0 2 5 11 0.25 1.0 3 50 6 4.0 1.0 4 5 6 0.25 1.0 ADINA软件教学实例编辑，BY lzhCAD， 2003年8月1日 6 四、运行ADINA-FSI和其后处理 1.运行 ADINA-FSI 选 Solution®Run ADINA-FSI®选 exeo3_f文件，然后按住Ctrl建选择 exe03_a文件® click Start。 2. 后处理ADINA-PLOT ①. 从模块菜单中选 ADINA-PLOT ; ②. 从主菜单中打开数据结果文件， 调入后处理文件exe03_f.por和 exe03_a.por。其处理结果如图 3-7所示。 注： 图3-7中，在结构上面的垂直单元 边界仍然保持垂直，因为在几何点5和2直 接定义了导向关系。 ③. 速度矢量：选 Model Outline ® Load Plot图标显示载荷 ®Quick Vector Plot图标(AUI 同时显示流体速度和结构应力) ®Modify Vector Plot图标® 确保Element Vector Quantity 为Stress®选 Delete 按钮 ®click Yes ® click Cancel or Close (如图3-8所示)。 ④. 压力场：选Clear Vector Plot 图 标® Quick Bandplot 图标 (AUI同时显示流体压力和结构 等效应力) ® Modify Bandplot 图标®确保Band Plot Variable 为 (Stress: EFFECTIVE_STRESS) ®Delete 按钮®click Yes ® Cancel or Close(如图3-9所示)。 可用按Previous Timestep, Next Timestep, First Timestep and Last Timestep图标显示每 步的结果。 图 3-7 移动网格 图 3-8 流体速度矢量分部 图 3-9 压力场分布 ADINA软件教学实例编辑，BY lzhCAD， 2003年8月1日 7 ⑤.画结构移动： 只显示ADINA固体模型 ®click Clear图标®Display Zone图标 ®选ADINA ®and click OK。®Click Show Original Mesh图标(显示原始网 格)。选Display®Reaction®Use Default®确保Reaction Quantity 为 Reaction® and click OK(如图3-10所 示)。 ⑥.列表显示：列最大位移 从FE Model (不是Module!) 选ADINA 选List®Extreme Values_Zone®设置变 量 Variable 1 为 (Displacement:Y-DISPLACEMENT) ®设置Variable 2 为 (Displacement:Z-DISPLACEMENT) ®and click Apply。 将显示最大y、z位移在节 点1上分布为6.61976和–2.01244。Click Cancel关闭对话框。 图 3-10 反力和变形图