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如何模拟水气球中的流固耦合

发布时间2019-12-18人气:97

如何模拟水气球中的流固耦合




乍看之下,填充水气球的物理过程看起来很简单,但是涉及流体流和非线性超弹性材料的相当复杂的相互作用。幸运的是,可以在COMSOLMultiphysics®软件中轻松设置和求解此类模型。让我们看看如何...

水气球中FSI的模型设置

为了简化模型并利用球囊的对称性,我们可以构建仅由矩形和椭圆组成的2D轴对称几何,以及稍大的双版本以说明橡胶球囊。我们的目标是观察如果将相同量的水放进不同大小的气球中会发生什么。为此,我们可以参数化几何形状并使用缩放比例来更改气球的初始大小,同时使材料厚度和颈部半径保持恒定。

两个水气球几何形状。
两个大小不同的放气水球的几何形状。大小由拉伸因子事实控制:事实= 1(左)和事实= 2(右)。

水气球模型利用了COMSOL Multiphysics 5.3a版本中的新功能,包括改进的流固耦合(FSI)功能和重新排列的移动网格。

FSI和移动网格的计算

从COMSOL Multiphysics 5.3a版本开始,FSI是通过Multiphysics节点建模的该节点从“ 流体力学”和“ 结构力学”接口连接物理与该软件的早期版本相比,该软件具有单独的“ 流固耦合”界面,现在,我们可以使用双向耦合物理中的所有可用功能。

COMSOL Multiphysics中的“移动网格”设置的屏幕截图。
添加FSI物理特性后的界面和移动网格。

在此示例中,很容易考虑重力。我们要做的只是在“ 层流”界面设置中打勾这会激活地球的重力,这又会由于水中静水压力而对机械性能产生影响我们可以预期重力将对结果产生显着影响,并且这种影响在较大的水球中将更为显着,因为开始时质量更大。

在机械方面,同样可以快速设置物理设置。我们只需要定义一个合适的材料模型即可正确描述球囊材料的超弹性。在应用程序库中,球形橡胶球囊模型充气包含多种超弹性材料。我们可以在这里使用Ogden模型,因为它可以最准确地重现分析解决方案。

有兴趣了解有关将测量数据拟合到不同超弹性材料模型的详细信息吗?查看此先前的博客文章

顺便说一下,现在在不同模型之间复制模型接口非常简单。自5.3a版COMSOL®软件以来,可以通过复制粘贴功能交换界面和组件,甚至可以在两个正在运行的COMSOLMultiphysics®仿真之间进行交换!这意味着我们可以将其他模型中的材质设置有效地插入到水气球模型中。

屏幕截图显示了COMSOL Multiphysics中Ogden材料模型的设置。
用于球囊的超弹性Ogden材料模型的参数。

COMSOL Multiphysics 5.3a版本的另一个改进是“ 移动网格”界面的新定位现在可以在“ 定义”下找到更重要的位置新结构的一个优点是,它有助于避免变形和非变形区域之间的意外重叠。对于水气球模型,此改进意味着我们仅对网格执行两项任务:选择气球的内部水作为“ 变形域”,并在对称轴上添加“ 指定的法向网格位移 ”(以避免由于数值不正确)。

填充水气球:模拟结果

解决水气球模型之前的最后一步是设置水流时间。矩形函数可以表示在指定的时间间隔内快速打开和关闭水龙头。此功能乘以15 cm / s的入口速度,可产生约1.4 l / min的流量。

屏幕截图显示了COMSOL Multiphysics中Rectangle功能的Settings窗口。
进水速度通过矩形函数控制。

我们可以进行参数扫描研究,以比较三种不同初始气球尺寸的模拟结果。因为入口速度和填充时间段相同,所以所有三个气球都填充有相同量的水。到目前为止,最大的压力发生在最小的气球中。这是预期的,因为小气球的表面最小,相对体积增加最大。

使用COMSOL Multiphysics版本5.3a建模的三个水球图。
对于三种不同的初始尺寸,Von Mises充气后球囊材料中的应力分布。(注意:这些图是使用Cividis色表创建的,Cividis色表是针对色觉不足的人优化的,是COMSOL Multiphysics 5.3a版本中的新增功能。)

这些结果需要一些动画!如果我们看一下通货膨胀的过渡行为,我们会清楚地看到重力对最大气球的影响,因为它在注水甚至开始之前就已经发生了振荡。球囊中没有预应力,因此它开始有点下降,直到来自材料的反作用力足够大以补偿重力。


影片缩图

von Mises动画在充气过程中在最小的水囊中受力。


影片缩图

充气期间中型水囊中的von Mises应力动画。



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