如何模擬水氣球中的流固耦合
乍看之下，填充水氣球的物理過程看起來很簡單，但是涉及流體流和非線性超彈性材料的相當(dāng)復(fù)雜的相互作用。幸運的是，可以在COMSOLMultiphysics?軟件中輕松設(shè)置和求解此類模型。讓我們看看如何...
水氣球中FSI的模型設(shè)置
為了簡化模型并利用球囊的對稱性，我們可以構(gòu)建僅由矩形和橢圓組成的2D軸對稱幾何，以及稍大的雙版本以說明橡膠球囊。我們的目標(biāo)是觀察如果將相同量的水放進(jìn)不同大小的氣球中會發(fā)生什么。為此，我們可以參數(shù)化幾何形狀并使用縮放比例來更改氣球的初始大小，同時使材料厚度和頸部半徑保持恒定。
兩個大小不同的放氣水球的幾何形狀。大小由拉伸因子事實控制：事實= 1（左）和事實= 2（右）。
水氣球模型利用了COMSOL Multiphysics 5.3a版本中的新功能，包括改進(jìn)的流固耦合（FSI）功能和重新排列的移動網(wǎng)格。
FSI和移動網(wǎng)格的計算
從COMSOL Multiphysics 5.3a版本開始，F(xiàn)SI是通過Multiphysics節(jié)點建模的。該節(jié)點從“ 流體力學(xué)”和“ 結(jié)構(gòu)力學(xué)”接口連接物理。與該軟件的早期版本相比，該軟件具有單獨的“ 流固耦合”界面，現(xiàn)在，我們可以使用雙向耦合物理中的所有可用功能。
添加FSI物理特性后的界面和移動網(wǎng)格。
在此示例中，很容易考慮重力。我們要做的只是在“ 層流”界面設(shè)置中打勾。這會激活地球的重力，這又會由于水中的靜水壓力而對機(jī)械性能產(chǎn)生影響。我們可以預(yù)期重力將對結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，并且這種影響在較大的水球中將更為顯著，因為開始時質(zhì)量更大。
在機(jī)械方面，同樣可以快速設(shè)置物理設(shè)置。我們只需要定義一個合適的材料模型即可正確描述球囊材料的超彈性。在應(yīng)用程序庫中，球形橡膠球囊模型的充氣包含多種超彈性材料。我們可以在這里使用Ogden模型，因為它可以最準(zhǔn)確地重現(xiàn)分析解決方案。
有興趣了解有關(guān)將測量數(shù)據(jù)擬合到不同超彈性材料模型的詳細(xì)信息嗎？查看此先前的博客文章。
順便說一下，現(xiàn)在在不同模型之間復(fù)制模型接口非常簡單。自5.3a版COMSOL?軟件以來，可以通過復(fù)制粘貼功能交換界面和組件，甚至可以在兩個正在運行的COMSOLMultiphysics?仿真之間進(jìn)行交換！這意味著我們可以將其他模型中的材質(zhì)設(shè)置有效地插入到水氣球模型中。
用于球囊的超彈性O(shè)gden材料模型的參數(shù)。
COMSOL Multiphysics 5.3a版本的另一個改進(jìn)是“ 移動網(wǎng)格”界面的新定位。現(xiàn)在可以在“ 定義”下找到更重要的位置。新結(jié)構(gòu)的一個優(yōu)點是，它有助于避免變形和非變形區(qū)域之間的意外重疊。對于水氣球模型，此改進(jìn)意味著我們僅對網(wǎng)格執(zhí)行兩項任務(wù)：選擇氣球的內(nèi)部水作為“ 變形域”，并在對稱軸上添加“ 指定的法向網(wǎng)格位移 ”（以避免由于數(shù)值不正確）。
填充水氣球：模擬結(jié)果
解決水氣球模型之前的最后一步是設(shè)置水流時間。矩形函數(shù)可以表示在指定的時間間隔內(nèi)快速打開和關(guān)閉水龍頭。此功能乘以15 cm / s的入口速度，可產(chǎn)生約1.4 l / min的流量。
進(jìn)水速度通過矩形函數(shù)控制。
我們可以進(jìn)行參數(shù)掃描研究，以比較三種不同初始?xì)馇虺叽绲哪M結(jié)果。因為入口速度和填充時間段相同，所以所有三個氣球都填充有相同量的水。到目前為止，最大的壓力發(fā)生在最小的氣球中。這是預(yù)期的，因為小氣球的表面最小，相對體積增加最大。
對于三種不同的初始尺寸，Von Mises充氣后球囊材料中的應(yīng)力分布。（注意：這些圖是使用Cividis色表創(chuàng)建的，Cividis色表是針對色覺不足的人優(yōu)化的，是COMSOL Multiphysics 5.3a版本中的新增功能。）
這些結(jié)果需要一些動畫！如果我們看一下通貨膨脹的過渡行為，我們會清楚地看到重力對最大氣球的影響，因為它在注水甚至開始之前就已經(jīng)發(fā)生了振蕩。球囊中沒有預(yù)應(yīng)力，因此它開始有點下降，直到來自材料的反作用力足夠大以補(bǔ)償重力。
von Mises動畫在充氣過程中在最小的水囊中受力。
充氣期間中型水囊中的von Mises應(yīng)力動畫。
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