我们一直都问的一个问题之一是：“我可以使用comsol多物理学解决我的流体结构相互作用问题吗？”当然，答案是肯定的，所以让我们谈谈各种流体结构互动（FSI）建模技术。一路上，我们将介绍这些各种类型分析所需的附加模块。
各种类型的流体结构相互作用建模
从广义上讲，每当您建模一个问题时，涉及计算流体中的速度和/或压力场以及与该液体相互作用的固体材料中的应力和菌株，您都在求解流体结构的相互作用（FSI） 模型。
围绕气缸
在建模FSI问题时，我们可以做出各种假设，以简化建模复杂性并减少计算负担。为了使我们开始，让我们看一下可以在Comsol Multiphysics中构建的最完整的FSI模型：围绕气缸的流体流动。
在横流中的气缸后，柔性对象的变形。
圆柱体后面的流体唤醒可引起圆柱后部固体突出的大振荡。解决这种类型的模型需要我们解决三个问题。首先，Navier-Stokes方程在流体流动区域中解决。接下来，计算固体中的位移。最后，解决流体区域中网格的变形以解释流体可以流动的变形区域。
这种非线性多物理耦合与流体结构相互作用在MEMS模块或者结构力学模块。可以在时间域或作为稳态（时间不变）问题中解决此类模型。
上面的示例考虑了固体材料中应力和应变之间的线性关系。如果您想用非线性应力 - 应变关系对材料进行建模，例如通常用于描述橡胶和聚合物的超弹性材料模型，您也将需要使用非线性结构材料模块。
蠕动泵：滚子沿着柔性管泵流动。图片来源：非常工程。
单向耦合FSI
另一方面，您可能会提前知道结构位移会相对较小，但是压力可能很大。您仍然可以使用流体结构相互作用在这种情况下，接口，但也使用单向耦合求解器，将计算流动溶液并将流体负载施加到结构问题上。这样，您将避免计算网格的变形。
也可以将这种类型的单向耦合FSI问题从头开始，而无需使用流体结构相互作用界面。这在铝挤压示例中的流体结构相互作用。此外，如果您要处理非常高速的流动，并且对流动中的短时间混沌振荡不感兴趣，那么您可以使用湍流流量模型作为FSI模型的一部分。这俩CFD模块和传热模块包括适合不同流动方式的各种湍流模型。
周期性流动中的太阳能电池板：围绕太阳能电池板的湍流和所得的结构应力计算。
流体中的振动结构
如果您事先知道自己正在处理流体中的振动结构，那么通常可以假设结构位移相对较小。结果，周围流体中的任何诱导的散装运动都可以忽略不计。但是，由于结构正在振动，因此在流体中会激发压力波，声音会辐射出来。在comsol软件中，这是通过声学结构相互作用可用的接口声学模块。
这些界面假设固体位移的变化相对较小，因此不会引起流体的显着散装运动，而仅诱导流体压力场的变化。可以在时间域中解决此类问题，但也可以假定位移和压力会随着时间的及时变化。这使我们能够在频域中建模，这在计算量较少的求解方面却较少。可以包括由于流体粘度和材料阻尼而导致的批量损失。
声压水平由扬声器辐射。
进一步解决热声 - 固定相互作用问题，该问题解决了线性化的频域版本Navier-Stokes方程并可以考虑明确建模的热和粘性边界层中的损失。尽管这比原声固定的交互问题在计算上更昂贵，但它仍然比解决完整的FSI问题要高得多。
振动微龙：振动微龙和周围空气速度的应力和位移。
毛弹性介质
声学模块还可以通过使用润湿的土壤，生物组织和声音阻尼泡沫来处理波浪传播孔隙弹性波界面。这解决了结构位移以及固体孔中流体的压力。一个例子正在计算水界接口之间的界面的声波反射。
如果您有兴趣建模Poro弹性介质，但是在稳态或时间域而不是频域，那么您将需要地下流量模块。它的目的是建模土壤和其他多孔培养基中的稳态或瞬态压力驱动流动和静电应力。该模块包含一个毛弹性界面，因此您可以在稳态和瞬态状态下建模孔隙弹性流体结构的相互作用。
开孔多边井：绘制土壤中的应力和毛弹性结构域中的流体速度。
流体和管道的薄层
我刚刚描述的所有方法都明确地对流体的体积进行了建模，并解决了整个这些体积的速度和/或压力。在我们的液体层薄层（例如在流体动力轴承中）的情况下，我们可以完全避免使用体积的液体模型并解决该模型雷诺方程，仅解决流体薄膜中的压力。
在这种方法中，我们仅求解沿域边界的流体流动。该界面可在CFD模块和MEMS模块。我们甚至可以将事情进一步解决，只能解决沿线的流体流动。换句话说，我们可以使用管道流量模块。
对于一个模型的示例，该模型考虑了沿管道长度的压力变化以及管壁弹性的效果，请检查一下解决水锤方程的示例。
倾垫推力轴承：润滑层中的压力场和倾斜垫推力轴承的变形。
将计算简化为新的级别
您可能会看到我们从最复杂的情况开始，并正在寻找简化计算的方法，尤其是流体流场的计算。让我们将其带到极端，并考虑根本没有移动的流体的情况，但确实在结构上提供了静水压力负荷。
核心功能
在这种情况下，我们可以利用COMSOL多物理学的核心功能：用户定义的方程式，组件耦合操作员和全局方程式。这些允许您将任意方程式包括在模型中，以表示任何其他变量，例如流体压力。正如我们在以前的博客文章，您可以在变形的封闭腔中包括可压缩和不可压缩的液体的效果，以及静水压力。
搅拌机模块
现在，我们已经介绍了简化流体流问题并计算压力的各种方法，让我们通过扭转局面并为我们知道固体刚体运动的情况进行建模流体的运动结束。这样的情况可以通过搅拌机模块，用于解决混合器和搅拌容器。
在这种情况下，固体结构的运动是通过旋转完全定义的，并且计算流体的运动。如果我们假设固体的线性弹性变形，我们还可以计算移动固体物体中的应力。这可以通过单向耦合溶液来处理，该溶液首先求解由于移动搅拌机而引起的流体流场，然后在结构变形很小的假设下计算应力。
搅拌混合容器中的流场。
摘要和下一步
如您所见，COMSOL多物理能够处理各种流体结构建模问题。如果您在这里看到了您感兴趣的东西，或者您对此不满意的东西在这里没有涵盖，请联系我们。
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