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结构力学流体结构相互作用

定义流体结构相互作用

流体结构相互作用（FSI）是描述流体动力学和结构力学的法律之间的多体耦合。这种现象的特征在于相互作用 - 这可以是稳定的或振荡的 - 在可变形或移动的结构和周围或内部流体流之间。

当流体流遇到结构时，施加应力和菌株在可能导致变形的固体物体 - 力上。这些变形可以非常大或非常小，取决于流动的压力和速度和实际结构的材料特性。

如果结构的变形是相当小的，并且时间变化也相对较慢，流体的行为不会受到变形的大大影响，并且我们可以仅涉及固体零件中的所得应力。然而，如果时间的变化是快速的，则每秒大于几个循环，那么即使是小结构变形也会导致流体中的压力波。这些压力波导致声音的振动结构的辐射。这些问题可以被视为声结构相互作用，而不是流体结构相互作用。

然而，如果结构的变形很大，则流体的速度和压力场将导致改变，并且我们需要将问题视为双向耦合的多体学分析：流体流动和压力场影响结构变形，结构变形影响流动和压力。

考虑流体结构在设计和建模中的相互作用

在设计中，您可以希望利用或避免流体结构相互作用的显着影响。

例如，诸如蠕动泵等装置，利用显着的结构变形以轻轻泵出血液而不会损坏活细胞。这种泵是柔性管和刚性辊的组合，并且设计者必须涉及流体中的流体速度，流体中的剪切速率，以及管中的应力和变形。（有关蠕动泵FSI分析的一个例子，请参阅本文：“蠕动泵的流体结构相互作用分析”。）

另一方面，工业搅拌机具有移动部件，但搅拌器可以被认为是基本上刚性的刚性部分搅拌流体。在分析这种系统时，混合效率是计算的最重要的数量。如果设计者关注的话，可以计算搅拌器中的应力。固体结构甚至可以被视为流体流动的完全固定障碍物，其目的是计算固体材料中的应力。

在建模此类系统时，有各种适当的建模方法可用。您可能需要建模Navier-Stokes方程用于流体流量以及固体力学方程，用于变形的固体。可以以各种形式解决的Navier-Stokes方程用于不同的流动制度。它甚至可以简化流量的建模薄膜模拟润滑膜。结构可以作为刚性的刚性处理，体验到流体流动问题的小偏转，或者具有显着影响流体流动的大的偏转。

为每种情况选择适当的建模方法组合是解决流体结构相互作用问题的关键。

发布时间：2015年6月1日
最后修改：2017年2月21日