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摘要： 随着有限元仿真技术的快速发展，流固耦合技术的应用范围越来越广.介绍3个典型的采用Abaqus等进行流固耦合仿真的应用案例.调查研究得出流固耦合仿真技术在中小型企业中的应用具有深层的意义和广阔的市场.
关键词： 流固耦合； 仿真技术； 中小型企业
中图分类号： TB115.1； TB126文献标志码： B
引言
流固耦合是流体力学与固体力学交叉而成的一门独立的力学分支，它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场影响.流固耦合仿真技术早期主要用于航空航天领域，随着技术的发展，应用范围已经扩展到石化、机械和能源等工业领域.其中，以中小型企业对这项技术的应用需求最为迫切.因此，调查研究流固耦合仿真技术在中小型企业中的应用具有深层的意义和广阔的市场.本文着重从3个方面阐述流固耦合仿真技术在中小型企业中的应用.（1）柴油机、齿轮泵、变速器和风力发电机等机械设备中齿轮箱飞溅润滑设计；（2）各种液态空气、石油化工产品储液压力容器的晃动计算；（3）以板式太阳能换热器热应力分析为例，模拟防冻液在铜管中流动，计算铜管和铝板的温度分布，并以此为基础，对板式太阳能换热器的热应力进行计算.最后，对流固耦合仿真技术在中小型企业中的应用范围进行分析总结.
1应用案例1.1变速齿轮箱飞溅润滑设计
由于变速齿轮箱的工作环境、承受载荷和相对运动速度不同，对润滑强度要求也不同.飞溅润滑是目前变速器润滑方式中的一种.在一定工作环境的情况下，某种结构所采用的飞溅润滑设计是否满足润滑强度的要求，可以通过流固耦合仿真技术，对飞溅润滑过程进行模拟，可以在设计方式确定之前获得润滑效果的评估，这样可以缩短设计周期，提高工作效率.
本文采用Abaqus软件建立变速齿轮箱中齿轮和润滑油之间的流固耦合仿真模型，设置润滑油的材料参数和相应的边界条件，最后提交求解器进行计算.求解后得到变速齿轮箱飞溅润滑设计的润滑效果，见图1.
由图1可以清晰地看出润滑油的飞溅状态，并评估其润滑强度.这对飞溅润滑方式的设计和润滑油使用量的确定具有很好的参考价值.
1.2储液压力容器晃动计算
压力容器的用途非常广泛，它在能源工业、石油化工、军工和科研等国民经济的各个部门都起着很重要的作用.压力容器由于密封、承压和介质等原因，很容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全以及污染环境的事故.因此，密封性和安全性是压力容器的关键性能.本文应用流固耦合仿真技术，研究在极限工况（冲击作用）下某储液压力容器中液体的晃动问题，获得压力容器表面所承受的压力，为其安全评估提供依据.
采用FLUENT软件建立油箱以及油介质的仿真模型，定义油箱及介质的材料参数和冲击过程中的加速度及其他边界条件，最后提交流固耦合分析求解器进行计算.容器晃动过程中，不同时刻油箱壁所承受的压力见图2.
由图2可知，最大流体压力为1 634 Pa，此结果与压力容器的规格相对应，可以分析极限工况下储液容器是否存在安全隐患.
1.3板式太阳能换热器热应力分析
对于太阳能行业来讲，目前涉及到的主要问题是如何降低材料使用量和满足安全性，所涵盖的知识领域包括传热、流体、压力和机械强度等方面.因此，有限元仿真分析在太阳能行业中的应用越来越广泛，主要涉及以下方面.
（1）传热方面的设计.主要涉及到集热器当中的热传导设计相关的问题.
（2）机械强度计算及结构的优化设计.如太阳能安装过程中有很多需要安装支架，必要时须对支架进行满足要求的强度优化设计.
（3）抗风阻设计.尤其是在高楼或者大风地区，要进行支架的抗风核算.
本文以平板集热器条带的传热分析和热应力分析为例，说明流固耦合仿真分析在太阳能行业的应用.平板集热器条带的焊接形式见图3.
（a）带肋片的管子（b）缝焊（c）弧面焊（d）滚焊（点焊）（e）铜铝（全铜）复合
图 3集热器条带的焊接形式
以图3（b）形式为例，其实际结构见图4，集热管为铜管，上面为铝板.铜管直径为8 mm，铝板和铜管为激光焊接，平板表面的单位辐射量为800 W/m2，条带的吸收率为90%，防冻液在铜管中流动.平板集热器系统的简化物理模型见图5.
图 4平板集热器（a）防冻液 （b）平板图 5平板集热器系统的简化物理模型
在FLUENT中建立其流固耦合的传热分析模型，并设置铜管中防冻液的材料参数以及平板的热量吸收等，最后提交FLUENT进行计算求解.求解完成后，获得平板集热系统的温度分布场，见图6，并将温度分布和模型输出为Abaqus格式，用于平板集热系统的热应力分析计算.
（a）管道中防冻液温度分布 （b）平板中液体温度分布 （c）系统温度分布图 6平板集热系统的温度分布
将FLUENT的温度计算结果导入到Abaqus中，计算平板集热系统从初始温度20 ℃，上升到FLUENT计算结果温度过程中的热应力.热应力分析结果见图7.综合以上分析，用FLUENT软件建立流固耦合分析模型，得到平板集热器的最终工作温度场，然后采用Abaqus软件计算温升过程中产生的热应力，后续可以根据此热应力进行平板集热器的热应力疲劳分析估算其使用寿命.此方法对于优化平板集热器的设计有很重要的指导意义.（a）管道主应力分布图（b）平板主应力分布图（c）系统主应力分布图
图 7平板集热系统热应力（主应力）分布图
2结束语
通过列举几个比较典型的流固耦合仿真分析方法在一些中小型制造企业的应用，可以看出，在产品的设计阶段就能够通过计算机流固耦合仿真分析模拟出产品的工作状态，发现产品设计中存在的缺陷和问题，并可以给出产品设计的更改思路.
在产品更新换代如此之快的今天，企业的生存发展之道就是不断推陈出新，且生命周期还要很短.该技术对于以传统设计方式为主，产品生命周期长的中小型企业是一个新的希望.但是，由于该技术应用过程中的软硬件投入很大，一般中小型企业无法承受，所以并没有在中小型企业中广泛的应用.目前出现一种软硬件同时租赁使用的新的经营模式，能很好的解决这一问题.相信以后流固耦合仿真分析技术在中小型企业中的应用会更加广泛.参考文献：
[1]邢景棠， 周盛， 崔尔杰. 流固耦合力学概述[J]. 力学进展， 1997， 27（1）： 1930.
[2]郭术义， 陈举华. 流固耦合应用研究进展[J]. 济南大学学报， 2004， 18（2）： 123126.
[3]张宏旺， 黄鑫， 赵军， 等. 矩形储液箱在流固耦合下的静强度及模态分析[J]. 北京化工大学学报， 2012， 39（1）： 9397.
[4]孙哲， 王松岭， 吴正人， 等. 基于单向流固耦合的离心通风机叶轮强度研究[J]. 发电设备， 2012， 26（1）： 1316.
（编辑武晓英）
关键词： 流固耦合； 仿真技术； 中小型企业
中图分类号： TB115.1； TB126文献标志码： B
引言
流固耦合是流体力学与固体力学交叉而成的一门独立的力学分支，它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场影响.流固耦合仿真技术早期主要用于航空航天领域，随着技术的发展，应用范围已经扩展到石化、机械和能源等工业领域.其中，以中小型企业对这项技术的应用需求最为迫切.因此，调查研究流固耦合仿真技术在中小型企业中的应用具有深层的意义和广阔的市场.本文着重从3个方面阐述流固耦合仿真技术在中小型企业中的应用.（1）柴油机、齿轮泵、变速器和风力发电机等机械设备中齿轮箱飞溅润滑设计；（2）各种液态空气、石油化工产品储液压力容器的晃动计算；（3）以板式太阳能换热器热应力分析为例，模拟防冻液在铜管中流动，计算铜管和铝板的温度分布，并以此为基础，对板式太阳能换热器的热应力进行计算.最后，对流固耦合仿真技术在中小型企业中的应用范围进行分析总结.
1应用案例1.1变速齿轮箱飞溅润滑设计
由于变速齿轮箱的工作环境、承受载荷和相对运动速度不同，对润滑强度要求也不同.飞溅润滑是目前变速器润滑方式中的一种.在一定工作环境的情况下，某种结构所采用的飞溅润滑设计是否满足润滑强度的要求，可以通过流固耦合仿真技术，对飞溅润滑过程进行模拟，可以在设计方式确定之前获得润滑效果的评估，这样可以缩短设计周期，提高工作效率.
本文采用Abaqus软件建立变速齿轮箱中齿轮和润滑油之间的流固耦合仿真模型，设置润滑油的材料参数和相应的边界条件，最后提交求解器进行计算.求解后得到变速齿轮箱飞溅润滑设计的润滑效果，见图1.
由图1可以清晰地看出润滑油的飞溅状态，并评估其润滑强度.这对飞溅润滑方式的设计和润滑油使用量的确定具有很好的参考价值.
1.2储液压力容器晃动计算
压力容器的用途非常广泛，它在能源工业、石油化工、军工和科研等国民经济的各个部门都起着很重要的作用.压力容器由于密封、承压和介质等原因，很容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全以及污染环境的事故.因此，密封性和安全性是压力容器的关键性能.本文应用流固耦合仿真技术，研究在极限工况（冲击作用）下某储液压力容器中液体的晃动问题，获得压力容器表面所承受的压力，为其安全评估提供依据.
采用FLUENT软件建立油箱以及油介质的仿真模型，定义油箱及介质的材料参数和冲击过程中的加速度及其他边界条件，最后提交流固耦合分析求解器进行计算.容器晃动过程中，不同时刻油箱壁所承受的压力见图2.
由图2可知，最大流体压力为1 634 Pa，此结果与压力容器的规格相对应，可以分析极限工况下储液容器是否存在安全隐患.
1.3板式太阳能换热器热应力分析
对于太阳能行业来讲，目前涉及到的主要问题是如何降低材料使用量和满足安全性，所涵盖的知识领域包括传热、流体、压力和机械强度等方面.因此，有限元仿真分析在太阳能行业中的应用越来越广泛，主要涉及以下方面.
（1）传热方面的设计.主要涉及到集热器当中的热传导设计相关的问题.
（2）机械强度计算及结构的优化设计.如太阳能安装过程中有很多需要安装支架，必要时须对支架进行满足要求的强度优化设计.
（3）抗风阻设计.尤其是在高楼或者大风地区，要进行支架的抗风核算.
本文以平板集热器条带的传热分析和热应力分析为例，说明流固耦合仿真分析在太阳能行业的应用.平板集热器条带的焊接形式见图3.
（a）带肋片的管子（b）缝焊（c）弧面焊（d）滚焊（点焊）（e）铜铝（全铜）复合
图 3集热器条带的焊接形式
以图3（b）形式为例，其实际结构见图4，集热管为铜管，上面为铝板.铜管直径为8 mm，铝板和铜管为激光焊接，平板表面的单位辐射量为800 W/m2，条带的吸收率为90%，防冻液在铜管中流动.平板集热器系统的简化物理模型见图5.
图 4平板集热器（a）防冻液 （b）平板图 5平板集热器系统的简化物理模型
在FLUENT中建立其流固耦合的传热分析模型，并设置铜管中防冻液的材料参数以及平板的热量吸收等，最后提交FLUENT进行计算求解.求解完成后，获得平板集热系统的温度分布场，见图6，并将温度分布和模型输出为Abaqus格式，用于平板集热系统的热应力分析计算.
（a）管道中防冻液温度分布 （b）平板中液体温度分布 （c）系统温度分布图 6平板集热系统的温度分布
将FLUENT的温度计算结果导入到Abaqus中，计算平板集热系统从初始温度20 ℃，上升到FLUENT计算结果温度过程中的热应力.热应力分析结果见图7.综合以上分析，用FLUENT软件建立流固耦合分析模型，得到平板集热器的最终工作温度场，然后采用Abaqus软件计算温升过程中产生的热应力，后续可以根据此热应力进行平板集热器的热应力疲劳分析估算其使用寿命.此方法对于优化平板集热器的设计有很重要的指导意义.（a）管道主应力分布图（b）平板主应力分布图（c）系统主应力分布图
图 7平板集热系统热应力（主应力）分布图
2结束语
通过列举几个比较典型的流固耦合仿真分析方法在一些中小型制造企业的应用，可以看出，在产品的设计阶段就能够通过计算机流固耦合仿真分析模拟出产品的工作状态，发现产品设计中存在的缺陷和问题，并可以给出产品设计的更改思路.
在产品更新换代如此之快的今天，企业的生存发展之道就是不断推陈出新，且生命周期还要很短.该技术对于以传统设计方式为主，产品生命周期长的中小型企业是一个新的希望.但是，由于该技术应用过程中的软硬件投入很大，一般中小型企业无法承受，所以并没有在中小型企业中广泛的应用.目前出现一种软硬件同时租赁使用的新的经营模式，能很好的解决这一问题.相信以后流固耦合仿真分析技术在中小型企业中的应用会更加广泛.参考文献：
[1]邢景棠， 周盛， 崔尔杰. 流固耦合力学概述[J]. 力学进展， 1997， 27（1）： 1930.
[2]郭术义， 陈举华. 流固耦合应用研究进展[J]. 济南大学学报， 2004， 18（2）： 123126.
[3]张宏旺， 黄鑫， 赵军， 等. 矩形储液箱在流固耦合下的静强度及模态分析[J]. 北京化工大学学报， 2012， 39（1）： 9397.
[4]孙哲， 王松岭， 吴正人， 等. 基于单向流固耦合的离心通风机叶轮强度研究[J]. 发电设备， 2012， 26（1）： 1316.
（编辑武晓英）