航空航天系列仿真解决方案

四、飞行器流固耦合分析

流固耦合是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。它的一个重要力学特征是两相介质之间的交互作用 (fluid-solid interaction)，当流体与结构共同构成的体系受到动载荷作用时，流体与固体之间发生相互作用，即固体在流体作用下产生变形或运动，而这变形和运动又反过来影响流体的运动，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用在不同条件下将产生形形色色的流固耦合现象。在航空航天工程中，飞行器的气动弹性振动问题和含液容器的晃动问题，是典型的流固耦合问题。

仿真实例一：高超音速的流固耦合

飞行器在出入大气层或在空间中做高超声速飞行时，强烈压缩前方空气，并与周围空气剧烈摩擦，大部分动能转化为热能，使得飞行器附近空气温度剧烈升高并加热飞行器壁面。当飞行高度为24km，飞行马赫数为7时，在半径为20mm的前缘鼻锥表面上的热流密度高达2—3MW/m2。高温对高超声速飞行器材料的耐热性以及在高温条件下结构的承载能力提出了更高的要求，因此气动热及其热防护技术己成为制约高超声速飞行器发展的关键问题之一。

仿真实例二：涡轮机械的流固耦合

在叶轮机械内部，流体和固体叶片之间存在着相互作用：流场的气动力加载到叶片表面，引起叶片的振动，而叶片的振动位移反过来作用于流场边界，引起流场的改变，进而改变作用于叶片上的气动力。叶轮设计的重点是：最大应力与形变的计算（叶片、涡轮机毂、推进器以及传动轴），另外，叶轮的轴承注油方法也是必须要重点考虑的。

仿真实例三：低温晃动流固耦合分析

作为液体火箭发动机能量的来源，低温推进剂贮箱是推进剂输送系统的核心组件，由于存在复杂的流-固、气-液两相瞬态传热传质现象，在低重力环境下还要考虑表面张力的影响，因此也是输送系统中研究难度最大的组件，对推进剂输送系统的研究不可避免地侧重于对贮箱的研究，反过来说，贮箱结构设计和数学建模的好坏程度也直接决定了推进剂输送系统设计和数学模型的可靠程度。

五、本方案中所采用的软件

微机电系统、光学分析、流固耦合分析由Oofelie Multiphysics（以下简称Oofelie）软件完成，Oofelie是SAMTECH集团Open Engineering公司的旗舰产品，适用于电学、热学、光学、机械等耦合系统的造型及参数化设计，结合了静电效应、声学振动、相变、热传及流体理论。

SAMTECH是欧洲领先的CAE解决方案开发商，成立于1986年，主要致力于结构有限元分析、机械系统虚拟仿真、多学科优化设计以及多物理场耦合分析。SAMTECH在2001年成立Open Engineering，从事多物理耦合分析的开发和研究。多年来，SAMTECH凭借其强大的技术实力、专业的技术团队及完善的服务体系赢得了全球如航空航天、国防、汽车、能源、船舶等工业以及高等院校用户的青睐。

Oofelie Multiphysics软件主要特点如下：

►多物理场仿真求解

可以完成复杂电磁、传热、结构、流体、振动、声学、光学耦合仿真问题的高效计算。

►快速、精确计算

支持多种算法：有限元法（FEM）、边界元法（BEM）、有限体积法（FVM）、快速多极子算法（FMM）；支持FEM、BEM、FVM等算法直接耦合计算。

►强耦合仿真计算

提供耦合单元，在单元节点、边、面上都有多重自由度，允许各个物理场的本构方程在单元上耦合并同时求解。

更多Oofelie Multiphysics软件信息，欢迎访问http://oofelie.cntech.com.cn/。

热、流分析由SINDA/FLUINT（以下简称S/F）软件完成，S/F是一款应用于复杂系统热设计分析和流体流动分析的综合性有限差分软件，由美国Cullimore & Ring公司开发。多年以来，S/F已经在航空航天业界提供给用户最可靠的传热与流体流动设计分析服务。所有的NASA用户都使用此软件，参与NASA国际空间站合作项目的客户都必须使用S/F软件进行热设计。

S/F基于有限差分法、集总参数理论、离散化的经验公式，应用领域包括如下领域：

热辐射、流固耦合传热分析、复杂管网及水力件、热管、压缩循环、多相/多组分流动（自动判别流域变化/临界热流/临界流）、旋转机械、水锤、线面接触热阻、隔热绝热材料、导热强化措施、多轴旋转或多自由度平移辐射、翅片/泵/压力损失件模拟、物理化学反应热（相变与热烧蚀）分析、半导体制冷等，涵盖了热流工程应用的方方面面。

S/F的热流分析能力及特点如下：

1、 热模拟能力

1) 稳态和瞬态分析能力

• 导热、对流、辐射，热容、烧蚀、融化、升华；

• 随时间、温度、压力变化的属性和参数；

• 参数化分析与重启计算能力；

• 内建可实现自动关联求解的多变量表；

• 大量内建辅助分析库函数；

• 从设备级到系统级的性能模拟；

2) 高级设计

• 设计优化、目标捕获、极端工况自确定；

• 自动拟合实验数据（修正模型）；

• 可靠性工程（统计分析各种不确定性）；

3) 用户自添加逻辑的一并运行

• 模拟控制系统合复杂组件；

• 自定义数值算法、输入、输出；

• 与其它程序和软件交互；

引入子模型概念，同时S/F提供的不再仅仅是稳态和瞬态的计算程序，而是多种求解方案。

2、 流体模拟能力

• 任意构建的复杂系统，1D流体网络，包括在2D和3D控制体内的热分层现象；

• 单相/两相、单组分/混合物，包括沸腾、蒸发、凝结，两相流的均匀流、滑移流动、热管、多相流中的自动流域匹配等；

• 稳态与瞬态（从换热器尺寸稳态优化到流体瞬态动载，如水锤）；

• 设计优化、极端工况自确定、试验数据标定、统计学设计；

• 多层次模拟近似（系统级设计的几十个单元到部件级设计数万单元）；

• 模拟多种流体（从数据库调用或自定义）、可压和不可压；

• 通过流体组件（泵、风扇、阀门、三通、滤网等）；

• 利用对称性和冗余特征实现计算简化；

• 随时间和方向变化的质量力、自然对流、耦合传热；

• 毛细设备、旋转机械、高速流体流动中的能量传递；

更多SINDA/FLUINT软件信息，欢迎访问http://sinda.cntech.com.cn/。

文档下载：http://solution.cntech.com.cn/aerospace/201503/Aviation.html