流体-结构耦合 — CAE术语解说

具体来说，是流体的力使结构变形，其变形反过来改变流体流动，这种相互干涉现象。例如，飞机机翼的颤振（自激振动）是典型的FSI问题。空气力使机翼弯曲，机翼的弯曲改变空气流动方式，产生不同的空气力，形成恶性循环，振动发散。1940年塔科玛纳罗斯桥的崩塌也是风和桥梁结构的FSI导致的。

支配方程是独立的。不可压缩牛顿流体用Navier-Stokes方程，结构用运动方程。耦合的本质在于通过"边界条件"将这些方程联系起来。具体来说，流体-结构界面必须满足两个条件：

正是这样。时间积分的一步内，求解方法不同。弱耦合（疏松耦合）是顺次运行流体求解器和结构求解器，每次交换边界数据（力、变位）。计算成本低，但特别是在密度比接近的问题（水和橡胶）中易不稳定，有发散风险。强耦合（紧密耦合）是将流体和结构方程作为一个系统，或用迭代法同时求解。稳定性高，但需要迭代计算，成本高。Ansys中System Coupling提供强耦合算法。

这个技术叫做映射（或插值）。必须将结构侧计算的变位转移到流体网格（特别是动网格的边界）。常用的是径向基函数（RBF）法或基于有限元法的插值。比如老的汎用耦合软件MPCCI，或现在的Ansys System Coupling就在后台运行这些算法。为了保持精度，需要将界面附近两侧的网格粗糙度尽可能调一致。

确实，这是FSI的大难点之一。主要有三种对策：

不一定要一样，但调整很难。通常按更快的现象（多数情况是流体涡脱）来决定时间步长。用Ansys Fluent和Mechanical通过System Coupling耦合时，设置"Coupling Time Step"。该步内，Fluent执行多个内部步，Mechanical执行（根据设置）一步，进行数据交换和强耦合反复（比如IQN-ILS法）。为保稳定，耦合时间步推荐设为结构固有周期的1/10～1/20以下。

这很关键。务必进行单体验证。比如，给结构模型加上静压分布，比较变形量和理论值、已知数据。流体模型在固定形状下，检查流体力（阻力、升力）是否符合实验值或文献值。特别要确认乱流模型（FSI中常用SST k-ω）的适当性。这些不符合的状态下耦合，只会得到无意义的结果。还要做网格敏感性分析，确保单体结果不依赖网格。

建议按这个顺序查：

好眼光。到达稳定态的振动问题，要监视能量收支。流体对结构的功率（力乘速度的界面积分）应该等于结构运动能和应变能的变化率加上阻尼的散逸能。另一个重要指标是界面残差。强耦合求解器会输出"界面残差"，显示运动学、力学条件的满足度。必须确认这个残差低于指定容限（比如1e-3）。COMSOL可以直接监视这个残差。

架构大致分两类：

可以。主要两种方法。一是用OpenFOAM内的"solidDisplacementFoam"这样的内置求解器。二是用"preCICE"这个开源耦合库，更通用。preCICE能耦合OpenFOAM（流体）和Calculix、deal.II（结构）这样完全不同的求解器。灵活性很高，研发现场常用。但不像商用软件那样有GUI点点就行，需要一定编码和知识。

行业差别很大：

是的。结构变形太大或太急，邻近流体网格单元翻转，体积变负。对策如下：

可能是"人工刚性"或"棋盘振动"的数值不稳定。特别是流体和结构网格不匹配，映射误差时，容易出现。力的交换在空间上不光滑，节点间有波动。对策是：

分别看各求解器和耦合平台的日志：