【年终系列实例EX4】流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算分析

流体作用下弯曲管道单向流固耦合计算分析：工业应用与建模实例

在工业管道系统的频繁应用中，弯管部分作为流动介质的必须通道，常常呈现出复杂的压力分布状况，这些压力分布差异可能诱发额外的应力应变，进而影响管道系统的性能与安全性。近年来，ANSYS CFD单向流固耦合计算作为一种先进的分析方法，为工程师提供了一种更加精细化和高效的研究手段。该技术结合了ANSYS Fluent的流体动力学模拟能力和ANSYS静力分析模块，旨在准确计算流体介质通过弯曲管道时管道所承受的应力应变。

2. 计算思维框架

单向流固耦合计算的核心思路在于将CFD计算与结构有限元分析相连接，以全面多维度理解物系交互作用造成的力学响应。流程主要包括：

1. CFD计算： 利用ANSYS Fluent软件计算流体介质在管道壁面上的压力分布。详细参数包括压力基求解器、适用的湍流模型（Realizable ke模型）、介质类型选择（如水液工作介质）、计算域材料设置、入口速度设定、出口类型定义、网格化周期设置、壁面压力分布及切面速度分布等。

2. 固体力学计算： 在工程面板中，通过详细建模过程，首先预处理流体网格，然后在固体计算中加载来自CFD计算的压力，基于固定约束条件进行分析。该子阶段涉及固体网格尺寸的一致性考量，确保网格与流体部分匹配，从而满足计算需求的精确度和效率。

计算流程举例




1. 几何模型创建：使用ANSYS Design Modeler（DM）构建既包含流体也包含固体部分的计算几何模型。模型精确地代表了弯管的实际尺寸与盆地布置，为后续计算提供准确的数据基础。

2. 流体网格划分：针对选定区域的B3单元格，进行精细地流体网格化。网格采用扫描创建方式，设定网格尺寸为5mm。流程中涉及对边界进行命名，确保边界条件的正确设定。产生后的流体网格如图5所示。

3. 设置流体算法参数：在Fluent中，选择压力基解求器进行流体动力学计算，随后采用Realizable ke涡模式来描述湍流特性。介质设置为目标，管道入口速度设定为2m/s，出口类型配置为Outflow，初始化设置以200步求解。

4. 压力分布与速度切面分析：执行计算后，生成壁面压力分布及关键切面速度分布结果。这些结果对于理解流体与管道交互的机械应力效应至关重要。

5. 固体计算安装压力：基于已有流体压力分布，利用ANSYS静力分析模块计算固体应力应变，此处涉及加载流体压力至固体面上，同时应用边界约束条件。最终，分析得出弯管在流体作用下的应力分布状态。