流固耦合

流动固束合 (FSI) 是一些可移动或可变形结构与内部或周围流体流动的相互作用。 流动固束合可以是稳定的或振荡的。 在振荡相互作用中，固体结构中引起的应变导致其移动，从而减少应变源，并且结构返回到其先前的状态只是为了重复该过程。

流固耦合是许多工程系统设计中的一个重要考虑因素，例如。 汽车、飞机、航天器、发动机和桥梁。 不考虑振荡相互作用的影响可能是灾难性的，尤其是在包含易疲劳材料的结构中。 塔科马海峡大桥 (Tacoma Narrows Bridge) (1940) 是xxx座塔科马海峡大桥，可能是最臭名昭著的大规模失败案例之一。 飞机机翼和涡轮叶片可能会因 FSI 振荡而断裂。 簧片实际上会发出声音，因为控制其动力学的方程组具有振荡解。 二冲程发动机和压缩机中使用的簧片阀的动态由 FSI 控制。 吹覆盆子的行为是另一个这样的例子。 摩擦学机器部件（如轴承和齿轮）与润滑剂之间的相互作用也是 FSI 的一个例子。 润滑剂在接触的固体成分之间流动，并在此过程中导致它们发生弹性变形。 流固耦合也发生在移动的容器中，其中由于容器运动引起的液体振荡对容器结构施加相当大的力和力矩，以非常不利的方式影响容器运输系统的稳定性。 另一个突出的例子是火箭发动机的启动，例如 航天飞机主机 (SSME)，FSI 会在喷嘴结构上导致相当大的不稳定侧向载荷。 除了压力驱动效应外，FSI 还会对超音速和高超音速飞行器的表面温度产生很大影响。

流固束合在适当的血流建模中也起着重要作用。 血管充当顺应性管，当血压和流速发生变化时会动态改变尺寸。 如果不考虑血管的这种特性，可能会导致对由此产生的壁面剪切应力 (WSS) 的显着高估。 在分析动脉瘤时，尤其需要考虑这种影响。 使用计算流体动力学来分析患者特定模型已成为普遍做法。 动脉瘤的颈部最容易受到 WSS 变化的影响。 如果动脉瘤壁变得足够脆弱，当 WSS 变得过高时它就有破裂的风险。 与不合规的模型相比，FSI 模型的 WSS 总体较低。 这很重要，因为错误的动脉瘤建模可能导致医生决定对破裂风险不高的患者进行侵入性手术。 虽然 FSI 提供了更好的分析，但它的代价是计算时间xxx增加。 不合规模型的计算时间为几个小时，而 FSI 模型可能需要长达 7 天才能完成运行。 这导致 FSI 模型对于早期发现的动脉瘤的预防措施最有用，但不适用于动脉瘤可能已经破裂的紧急情况。

流固耦合问题和一般的多物理场问题通常过于复杂而无法解析求解，因此必须通过实验或数值模拟的方式进行分析。 计算流体动力学和计算结构动力学领域的研究仍在进行中，但这些领域的成熟使得流固耦合的数值模拟成为可能。 流固耦合问题的仿真有两种主要方法：

• 整体方法：使用单个求解器同时求解控制流动和结构位移的方程
• 分区方法：控制流动和结构位移的方程分别求解，使用两个不同的求解器

整体方法需要为这种特定的物理问题组合开发代码，而分区方法保留了软件模块化，因为现有的流求解器和结构求解器是耦合的。 此外，分区方法有助于使用不同的、可能更有效的技术求解流动方程和结构方程，这些技术是专门为流动方程或结构方程开发的。 另一方面，分区仿真需要开发稳定准确的耦合算法。 总之，分区方法允许重用现有软件，这是一个有吸引力的优势。 但是，需要考虑耦合方法的稳定性。

此外，网格的处理引入了 FSI 分析的其他分类。