摘 要：针对典型的ANSYS+CFX多物理场求解过程，分析了多物理场数据交互平台MFX的基本工作原理。利用平板和水流相互作用的数值模拟算例，从分析流体域网格变形情况的角度讨论了建模边界条件设置等对流固耦合交界面数据交换的影响。研究结果表明建模的一致性对多物理场耦合的有效性和正确性有决定性的作用。本文的工作也可为多物理场双向耦合研究提供参考。
关键词：多物理场求解 流固耦合 网格 建模 数值模拟
中图分类号：V24 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（a）-0030-02
多物理场耦合数值模拟是数值模拟技术发展的必然产物，它可以在更接近真实的物理条件下，对相互作用的各物理量分布给出更精确的诠释，能分析单物理场数值模拟难于解决的问题。以最常见的流固双向耦合为例，它能够分析变性固体在流体作用下的变形、振动等力学行为以及固体变形对流场影响，因此广泛应用于航空航天、水利设施海洋工程等各个领域。由于能够准确揭示流体与结构相互作用的规律和程度，为工程结构设计、流场优化提供了更科学的方法[1～2]。
和所有多物理场求解技术类似，流固双向耦合中耦合效应的仿真一直是数值模拟的难点，尤其是解决异构代码的耦合问题更是如此。经过近年来的发展国际上已经形成了利用第三方数据交换软件（如MPCCI）耦合ANSYS+CFX、ANSYS+FLU ENT等典型的多物理场数值模拟技术，并形成了ANSYS Workbench等集成数值仿真平台。国内随着计算软件的引入和计算资源的改善也开始了以上计算软件在多物理场耦合中的应用。但是由于异构的代码以及第三方软件均不是自主开发，对各种耦合效应的仿真技术均不完全掌握。此外，由于前处理技术和软件的限制，不同物理场计算用几何模型和网格往往来自不同的软件，建模误差以及输入输入过程几何特征的丢失难以避免。以上因素不仅制约了多物理场求解技术的应用推广，也影响了耦合计算有效性和正确性[3～5]。
针对以上情况，本文首先分析了国内常用的ANSYS Workbench中ANSYS CFX耦合数据交互平台MFX的工作原理。其次，用实际算例分析了边界设置、建模误差对耦合仿真效果的影响，研究结果对流固双向耦合计算以及其他多物理场计算有参考作用。
1 基本原理
由于对代码的继承性和使用的灵活性好于将所有物理场放在同一代码中求解，异构代码加第三方软件的多物理场数值仿真技术是当前的主流。以流固双向耦合为例，CFD和FEM之间的代码不同，不同物理场的网格互不兼容，使用第三方辅助软件来完成数据的转换和传递能很好解决代码异构的问题。ANSYS多场求解器MFX旨在联合ANSYS Mechanical与CFX解决耦合场问题，功能和算法部分与MPCCI类似，求解器数据传递通过标准的网络接口（TCP/IP），物理场之间载荷传递和映射基于CFX GGI技术。如图1所示MFX采用的一种conservative插值法。通过利用单元分割、像素概念、映射，桶搜索、树搜索等方法在计算域交界面形成新控制面，发送端和接收端的数据交互传递在控制面完成。只要确保流固耦合面能完全重合对应，交界面上的参数数据从全局到局部都能得到精确传递，对于流固耦合面不完全对应的情况，conservative插值法会在这些区域设置零值，其他边界条件等忽略此区域数据的传递，从而保证严格的守恒传递[6]。以上是原理概述，单纯的以原理分析并不确定算法实现的效果，需要通过具体实例来体现。
2 算例描述
本文建立了简单双向流固耦合计算模型。利用ANSYS Workbench软件中Geometry模块分别建立流体域、固体域模型，按照CFX多物理场耦合求解步骤，对边界条件进行设置。其中，耦合边界在图2中流体域与平板接触的前部、顶部和后部，共3个耦合交界面，采用进口速度出口静压的边界类型。计算总时间1 s，时间步长0.1 s。对流固计算域重合、边界条件设置等工程应用中可能遇到的情况分别进行了简化处理和仿真计算，以流体域网格变形为判断依据，结合耦合平台工作原理对结果进行分析。
3 结果分析
3.1 边界条件设置正确，域耦合交界完全重合
为参照起见，本例中给出了正常情况下进行双向流固耦合计算，流体域网格变形的结果。从图3流体域网格变形情况来看，耦合交界面处压力和位移信息交换传递良好，计算结果可信，可以作为其他几种情况的参照。
3.2 边界条件设置正确，域耦合交界面部分重合
图4给出了耦合交界面仅发生在固体域的前、后两个表面，在固体域顶部与流体域不重合的情况下进行双向流固耦合计算，流体域网格变形的结果。结果显示，流体域在前后两个耦合交界面处网格变化正常，但是在没有重合的两个耦合面之间也有位移信息传递的迹象，只是这种传递并不精确，与固体域顶部对应的流体域的网格位移相比固体域明显发生滞后。
针对这种耦合面部分不重合的情况，求解器有相应的冗余误差设置，本例中耦合面距离误差已经超过软件误差容忍度，因此，出现了网格变化不同步的现象，实践证明这种情况常常会使网格发生严重畸变，使计算中止。
3.3 边界条件设置正确，域耦合交界面完全不重合
图5给出了在边界条件设置正确，所有耦合交界面不重合的两种情况下进行双向流固耦合计算，流体域网格的变形情况。在这两种情况下，流体域网格均没有发生任何变形，原因是：耦合计算时，流体分析软件起主导和控制作用，本例中首先由流体软件CFX初始化流场，初始化后MFX首先将耦合区域的受力传递给固体分析软件，与上例不同的是本例中耦合交界面完全没有重合，固体域在耦合交界面处网格节点接收不到任何压力信息，压力和位移信息无法交互传递，所以流场的网格也就没有变化。
3.4 边界条件设置不正确，域耦合交界面不重合
图6给出了固体域的顶面没有设置成流固耦合面，也没有与流体域重合，耦合交界面仅发生在固体域的前、后两个表面时，流体域网格的变形情况。图6整体看网格变形严重扭曲，与固体域顶面对应的部分流体域网格虽发生了变形，但与图4此部分流体域相比网格变形较小。原因是：这种情况与耦合边界完全没有重合的情况一样，固体域顶部没有设置成耦合面，不会有压力和位移信息的交互传递，只是这部分流体域的网格节点受到节点间算法总的影响发生了小变形。
工程实践中流固耦合分析遇到的问题往往是图3～图6中的一种情况或几种情况的组合。出现问题的主要原因是流体和结构计算模型在耦合边界的重合度不易控制，建模中流体和结构模型产生了尺寸误差，这种误差会给计算结果带来一定程度的影响。
4 结论
以第三方软件为数据交互平台的多物理场耦合数值模拟，只有在耦合交界面、边界条件设置正确的情况下，才能保证数据传递准确，建模误差会给计算带来不同程度的影响。因此，进行多物理场耦合计算时，要尽量确保不同计算域建模的一致性、准确性。
针对耦合边界重合难的问题，尽管软件有冗余误差设置等，但流体和结构网格变形仍旧难以协调，由此产生的各种错误不同，需具体分析。
参考文献
[1]张小伟.涡轮机械叶片流固耦合数值计算方法[J].航空动力学报，2009，24（7）：1622-1627.
[2]陶海亮.压气机叶片流固耦合数值计算[J]，航空动力学报，2012，5（27）：1000-8055.
[3]曾强.压气机转子叶片流固耦合计算及软件集成研究[D].南京航空航天大学，2006.
[4]徐敏，史忠军，陈士橹.一种流体-结构耦合计算问题的网格数据交换方法[J].西北工业大学学报，2003，27（5）.
[5]Volker Carstens，Ralf Kemme， Stefan Schmitt，Coupled simulation of flow-structure interaction in turbomachinery. Aerospace Science and Technology， 2003：298-306.
[6]宋学官，蔡林，张华.ANSYS流固耦合分析与工程实例[M].中国水利水电出版社，2012.