目前，ANSYS Workbench已經更新到了2020R1版本，多場耦合的計算能力進一步提升，可以實現結構場，流場，溫度場，電場和磁場的耦合 ，具備解決複雜多場耦合的計算問題能力。多場耦合計算，按照耦合的程度，分為單向耦合和雙向耦合。
單向耦合即A場對B場有影響，而B場對A場沒有影響，常見的問題就是熱應力計算，一般的熱應力計算中，只考慮溫度對結構的影響，而忽律結構變形對溫度場的影響；
雙向耦合即A場對B場有影響，而B場對A場也有影響，例如氣動顫振問題，流場對結構的變形有影響，反過來結構變形也會影響流場。
耦合計算的方法主要包括，直接耦合法和迭代耦合法。直接耦合法，就是計算單元具備多場的自由度，可以在一個單元矩陣中完成耦合求解，常見於基於有限元方法的耦合技術，例如熱-固耦合計算；迭代耦合法，就是不同場的量，分別在不同的軟件環境中完成求解，然後進行數據交換，接著再進行獨立計算，重複以上過程，當場之間的數據交換穩定時，終止數據交換，完成一次耦合計算，常見的就是流-固耦合計算問題。
流-熱-固耦合計算主要包括以下方面：
一、流-熱耦合計算
流熱耦合計算，主要解決流動與結構的換熱計算，例如換熱器的溫度場計算，通過該方法可以獲得較為準確的結構表面的對流換熱邊界條件。用戶可以使用Fluent模塊完成流熱耦合計算，也可以使用Fluent+結構熱模塊+系統耦合器完成計算，基於ANSYS Workbench平臺可以完成單向和雙向流熱耦合技術。
圖1 乾燥器熱源表面的對流換熱係數
圖2 強迫對流圓柱表面的對流換熱係數
二、流-固耦合計算
流固耦合力學是流體力學與固體力學交叉而生成的力學分支。流固耦合力學的重要特徵是兩相介質之間的交互作用(fluid-solid interaction)。變形固體在流體載荷作用下會產生變形或運動，而變形或運動又反過來影響流場，從而改變流體載荷的分佈和大小。正是這種相互作用將在不同條件下產生形形色色的流固耦合現象。
典型應用-輸流管道流固耦合。流體引起輸流管道振動的研究最初來源於橫跨阿拉伯輸油管道振動的分析。管道在眾多的工業領域中應用十分廣泛，作用極其重要。
典型應用-含液容器的流固耦合問題。1964年，美國Alaska 地震引起眾多石化容器在地震載荷下慘遭破壞，使國民經濟受到極大損失由於化工工業在現代工業中的地位，促使部分科技工作者對含液容器進行研究。Fluent中的VOF模型+瞬態結構模塊+系統耦合器可以解決這一問題。
圖3 閥片開始過程的雙向流固耦合計算
圖4 機翼顫振的雙向流固耦合計算
三、熱-固耦合計算
熱固耦合計算，主要解決結構在熱載荷作用下的熱應力。常見的熱應力都為單向耦合，即溫度場對結構場有影響，而結構的變形對溫度場影響可以忽略不計。雙向熱-固耦合的典型問題就是摩擦生熱，如圖6給出了雙向熱-固耦合穩態和瞬態分析系統。
圖5 穩態熱應力分析系統（單向耦合）
圖6 穩態和瞬態的雙向耦合熱應力分析系統
如圖7給出了一個滑塊滑動摩擦生熱的溫度雲圖，熱固雙向耦合，採用耦合場單元進行解算，該單元同時具備了結構和熱自由度，在一個單元矩陣裡完成耦合計算，計算穩定，而且解決了溫降的問題。
圖7 滑動摩擦生熱溫度雲圖
四、流-熱-固耦合計算
流-熱-固耦合計算，主要解決涉及到流動，換熱與結構變形同時考慮的情況，按照各場耦合的情況，可以分為流-熱雙向耦合+結構單向耦合，如圖8給出了該類耦合計算的分析系統。
圖8 流-熱-固耦合分析系統
如圖9給出了另外一種流熱固耦合計算分析系統，該系統中流體把熱傳遞給結構，結構接受熱載荷發生熱變形，因此該系統為流-熱單向耦合，熱-固也是單向耦合。
目前，基於ANSYS Workbench2020R1可以實現完全的流-熱-固雙向耦合計算，適合解決複雜的耦合計算問題，但是該計算需要APDL命令的支持，才能實現雙向耦合計算。
圖9 流-熱-固耦合分析系統
作者 ：張老師
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