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如何模擬水氣球中的流固耦合

發(fā)布時(shí)間2019-12-18人氣：893

如何模擬水氣球中的流固耦合

乍看之下，填充水氣球的物理過(guò)程看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是涉及流體流和非線性超彈性材料的相當(dāng)復(fù)雜的相互作用。幸運(yùn)的是，可以在COMSOLMultiphysics?軟件中輕松設(shè)置和求解此類模型。讓我們看看如何...

水氣球中FSI的模型設(shè)置

為了簡(jiǎn)化模型并利用球囊的對(duì)稱性，我們可以構(gòu)建僅由矩形和橢圓組成的2D軸對(duì)稱幾何，以及稍大的雙版本以說(shuō)明橡膠球囊。我們的目標(biāo)是觀察如果將相同量的水放進(jìn)不同大小的氣球中會(huì)發(fā)生什么。為此，我們可以參數(shù)化幾何形狀并使用縮放比例來(lái)更改氣球的初始大小，同時(shí)使材料厚度和頸部半徑保持恒定。

兩個(gè)水氣球幾何形狀。
兩個(gè)大小不同的放氣水球的幾何形狀。大小由拉伸因子事實(shí)控制：事實(shí)= 1（左）和事實(shí)= 2（右）。

水氣球模型利用了COMSOL Multiphysics 5.3a版本中的新功能，包括改進(jìn)的流固耦合（FSI）功能和重新排列的移動(dòng)網(wǎng)格。

FSI和移動(dòng)網(wǎng)格的計(jì)算

從COMSOL Multiphysics 5.3a版本開(kāi)始，F(xiàn)SI是通過(guò)Multiphysics節(jié)點(diǎn)建模的。該節(jié)點(diǎn)從“ 流體力學(xué)”和“ 結(jié)構(gòu)力學(xué)”接口連接物理。與該軟件的早期版本相比，該軟件具有單獨(dú)的“ 流固耦合”界面，現(xiàn)在，我們可以使用雙向耦合物理中的所有可用功能。

COMSOL Multiphysics中的“移動(dòng)網(wǎng)格”設(shè)置的屏幕截圖。
添加FSI物理特性后的界面和移動(dòng)網(wǎng)格。

在此示例中，很容易考慮重力。我們要做的只是在“ 層流”界面設(shè)置中打勾。這會(huì)激活地球的重力，這又會(huì)由于水中的靜水壓力而對(duì)機(jī)械性能產(chǎn)生影響。我們可以預(yù)期重力將對(duì)結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，并且這種影響在較大的水球中將更為顯著，因?yàn)殚_(kāi)始時(shí)質(zhì)量更大。

在機(jī)械方面，同樣可以快速設(shè)置物理設(shè)置。我們只需要定義一個(gè)合適的材料模型即可正確描述球囊材料的超彈性。在應(yīng)用程序庫(kù)中，球形橡膠球囊模型的充氣包含多種超彈性材料。我們可以在這里使用Ogden模型，因?yàn)樗梢宰顪?zhǔn)確地重現(xiàn)分析解決方案。

有興趣了解有關(guān)將測(cè)量數(shù)據(jù)擬合到不同超彈性材料模型的詳細(xì)信息嗎？查看此先前的博客文章。

順便說(shuō)一下，現(xiàn)在在不同模型之間復(fù)制模型接口非常簡(jiǎn)單。自5.3a版COMSOL?軟件以來(lái)，可以通過(guò)復(fù)制粘貼功能交換界面和組件，甚至可以在兩個(gè)正在運(yùn)行的COMSOLMultiphysics?仿真之間進(jìn)行交換！這意味著我們可以將其他模型中的材質(zhì)設(shè)置有效地插入到水氣球模型中。

屏幕截圖顯示了COMSOL Multiphysics中Ogden材料模型的設(shè)置。
用于球囊的超彈性O(shè)gden材料模型的參數(shù)。

COMSOL Multiphysics 5.3a版本的另一個(gè)改進(jìn)是“ 移動(dòng)網(wǎng)格”界面的新定位。現(xiàn)在可以在“ 定義”下找到更重要的位置。新結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它有助于避免變形和非變形區(qū)域之間的意外重疊。對(duì)于水氣球模型，此改進(jìn)意味著我們僅對(duì)網(wǎng)格執(zhí)行兩項(xiàng)任務(wù)：選擇氣球的內(nèi)部水作為“ 變形域”，并在對(duì)稱軸上添加“ 指定的法向網(wǎng)格位移 ”（以避免由于數(shù)值不正確）。

填充水氣球：模擬結(jié)果

解決水氣球模型之前的最后一步是設(shè)置水流時(shí)間。矩形函數(shù)可以表示在指定的時(shí)間間隔內(nèi)快速打開(kāi)和關(guān)閉水龍頭。此功能乘以15 cm / s的入口速度，可產(chǎn)生約1.4 l / min的流量。

屏幕截圖顯示了COMSOL Multiphysics中Rectangle功能的Settings窗口。
進(jìn)水速度通過(guò)矩形函數(shù)控制。

我們可以進(jìn)行參數(shù)掃描研究，以比較三種不同初始?xì)馇虺叽绲哪M結(jié)果。因?yàn)槿肟谒俣群吞畛鋾r(shí)間段相同，所以所有三個(gè)氣球都填充有相同量的水。到目前為止，最大的壓力發(fā)生在最小的氣球中。這是預(yù)期的，因?yàn)樾馇虻谋砻孀钚。鄬?duì)體積增加最大。

使用COMSOL Multiphysics版本5.3a建模的三個(gè)水球圖。
對(duì)于三種不同的初始尺寸，Von Mises充氣后球囊材料中的應(yīng)力分布。（注意：這些圖是使用Cividis色表創(chuàng)建的，Cividis色表是針對(duì)色覺(jué)不足的人優(yōu)化的，是COMSOL Multiphysics 5.3a版本中的新增功能。）

這些結(jié)果需要一些動(dòng)畫(huà)！如果我們看一下通貨膨脹的過(guò)渡行為，我們會(huì)清楚地看到重力對(duì)最大氣球的影響，因?yàn)樗谧⑺踔灵_(kāi)始之前就已經(jīng)發(fā)生了振蕩。球囊中沒(méi)有預(yù)應(yīng)力，因此它開(kāi)始有點(diǎn)下降，直到來(lái)自材料的反作用力足夠大以補(bǔ)償重力。