目前，ANSYS Workbench已经更新到了2020R1版本，多场耦合的计算能力进一步提升，可以实现结构场，流场，温度场，电场和磁场的耦合 ，具备解决复杂多场耦合的计算问题能力。多场耦合计算，按照耦合的程度，分为单向耦合和双向耦合。
单向耦合即A场对B场有影响，而B场对A场没有影响，常见的问题就是热应力计算，一般的热应力计算中，只考虑温度对结构的影响，而忽律结构变形对温度场的影响；
双向耦合即A场对B场有影响，而B场对A场也有影响，例如气动颤振问题，流场对结构的变形有影响，反过来结构变形也会影响流场。
耦合计算的方法主要包括，直接耦合法和迭代耦合法。直接耦合法，就是计算单元具备多场的自由度，可以在一个单元矩阵中完成耦合求解，常见于基于有限元方法的耦合技术，例如热-固耦合计算；迭代耦合法，就是不同场的量，分别在不同的软件环境中完成求解，然后进行数据交换，接着再进行独立计算，重复以上过程，当场之间的数据交换稳定时，终止数据交换，完成一次耦合计算，常见的就是流-固耦合计算问题。
流-热-固耦合计算主要包括以下方面：
一、流-热耦合计算
流热耦合计算，主要解决流动与结构的换热计算，例如换热器的温度场计算，通过该方法可以获得较为准确的结构表面的对流换热边界条件。用户可以使用Fluent模块完成流热耦合计算，也可以使用Fluent+结构热模块+系统耦合器完成计算，基于ANSYS Workbench平台可以完成单向和双向流热耦合技术。
图1 干燥器热源表面的对流换热系数
图2 强迫对流圆柱表面的对流换热系数
二、流-固耦合计算
流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的力学分支。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用(fluid-solid interaction)。变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。
典型应用-输流管道流固耦合。流体引起输流管道振动的研究最初来源于横跨阿拉伯输油管道振动的分析。管道在众多的工业领域中应用十分广泛，作用极其重要。
典型应用-含液容器的流固耦合问题。1964年，美国Alaska 地震引起众多石化容器在地震载荷下惨遭破坏，使国民经济受到极大损失由于化工工业在现代工业中的地位，促使部分科技工作者对含液容器进行研究。Fluent中的VOF模型+瞬态结构模块+系统耦合器可以解决这一问题。
图3 阀片开始过程的双向流固耦合计算
图4 机翼颤振的双向流固耦合计算
三、热-固耦合计算
热固耦合计算，主要解决结构在热载荷作用下的热应力。常见的热应力都为单向耦合，即温度场对结构场有影响，而结构的变形对温度场影响可以忽略不计。双向热-固耦合的典型问题就是摩擦生热，如图6给出了双向热-固耦合稳态和瞬态分析系统。
图5 稳态热应力分析系统（单向耦合）
图6 稳态和瞬态的双向耦合热应力分析系统
如图7给出了一个滑块滑动摩擦生热的温度云图，热固双向耦合，采用耦合场单元进行解算，该单元同时具备了结构和热自由度，在一个单元矩阵里完成耦合计算，计算稳定，而且解决了温降的问题。
图7 滑动摩擦生热温度云图
四、流-热-固耦合计算
流-热-固耦合计算，主要解决涉及到流动，换热与结构变形同时考虑的情况，按照各场耦合的情况，可以分为流-热双向耦合+结构单向耦合，如图8给出了该类耦合计算的分析系统。
图8 流-热-固耦合分析系统
如图9给出了另外一种流热固耦合计算分析系统，该系统中流体把热传递给结构，结构接受热载荷发生热变形，因此该系统为流-热单向耦合，热-固也是单向耦合。
目前，基于ANSYS Workbench2020R1可以实现完全的流-热-固双向耦合计算，适合解决复杂的耦合计算问题，但是该计算需要APDL命令的支持，才能实现双向耦合计算。
图9 流-热-固耦合分析系统
作者 ：张老师
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