流固耦合

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流固耦合是航空航天科學技術一個名詞術語。

漢字(拼音:hàn zì，注音符號:ㄏㄢˋ ㄗˋ)，又稱中文、中國字、方塊字，是漢語的記錄符號，屬於表意文字的詞素音節文字。世界上最古老的文字之一，已有六千多年的歷史。在形體上逐漸由圖形變為筆畫，象形變為象徵，複雜變為簡單;在造字原則上從表形、表意到形聲。除極個別漢字外(如瓩、兛、兣、呎、嗧等)，都是一個漢字一個音節。 需要注意的是，日本、韓國、朝鮮、越南等國在歷史上都深受漢文化的影響，甚至其語文都存在借用漢語言文字的現象。

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名詞解釋

流固耦合力學是流體力學與固體力學交叉而生成的一門力學分支，它是研究變形固體在流場作用下的各種行為以及固體位形對流場影響這二者相互作用的一門科學。流固耦合力學的重要特徵是兩相介質之間的相互作用，變形固體在流體載荷作用下會產生變形或運動。變形或運動又反過來影響流體運動，從而改變流體載荷的分布和大小，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。

流固耦合問題的研究歷史可追溯到19世紀初，人們對於流固耦合現象的早期認識源於機翼及葉片的氣動彈性問題。氣動彈性是研究氣動力對固體的作用以及固體對流場的反作用的一門科學，核心內容就是氣流激振問題。彈性體的葉片在氣動力作用下形成氣彈耦合的振動，當葉片在振動位移過程中，從氣流中吸收的能量大於阻尼功時，振動加劇，顫振發作，也就是通常所說的失速顫振。葉片顫振涉及氣動力特性和葉片固體動力特性，葉片顫振的發生與其工作狀態有關。失速顫振發生時，大幅的劇烈振動會使葉片在短時間內裂斷，後果極為嚴重。此外，流固耦合問題還在很多工程技術領域得到了研究，例如渦輪機械設計、海岸海洋工程、高層建築工程、流體管路輸送以及人體動脈流動等『」，而這些工程領域的共同特點就是流體載荷對彈性結構的影響十分重要。

流固耦合的數值求解方法在過去數十年間取得了長足的發展，並已經成為研究領域最熱門的主題之一。耦合求解過程的核心是計算帶有移動邊界和移動網格的非定常流動問題，這是因為流動域的大小和形狀隨着結構的移動或變形在不斷變化着。同時，正由於耦合系統中混合了線性和非線性問題，存在了對稱和非對稱矩陣，包括了顯性和隱性的耦合機理，並且出現了物理不穩定條件，使得耦合問題求解十分困難。根據不同的耦合邊界處理方法，流固耦合求解方法主要分為兩類：浸入邊界法(Immersed Boundary Method)和動邊界法（Moving Boundary Method）。

浸入邊界法最初由Peskin和McQueen在1972年提出，並用於模擬人類心臟中的血液流動。它的基本思想是將複雜結構的邊界模化成Navier-Stokes動量方程中的一種體力，並使用簡單的笛卡兒網格有效地避開貼體網格生成的困難，提高了計算效率。經過40多年的不斷發展和改進，浸入邊界法已成功應用於生物流體問題、流固耦合問題、物體繞流問題以及多相流問題等。

動邊界法是工程技術研究領域使用最廣泛的流固耦合求解方法。為了能夠表徵邊界的移動，通常使用流體方程的任意拉格朗日—歐拉（Arbitrary Lagrangian-Eulerian，簡稱ALE）形式。該形式的方程可以直接處理移動的邊界和耦合面（包括自由表面），但需要確立一個連續的計算網格移動方式。動邊界法的流固耦合計算主要關注兩個方面的問題，即耦合系統方程的時間積分算法和流固耦合面的處理方法。耦合系統的時間積分算法根據物理問題的相對時間尺度分為顯式算法（Explicit Coupling）和隱式算法（Implicit Coupling）；耦合面的處理主要是流體和固體子域間的信息傳遞，需要考慮3個問題：①流體網格與固體網格間的載荷傳遞；②流體網格與固體網格間的幾何變形傳遞；③不同時間步長上解的同步問題。因此，根據以上耦合問題的物理特性，有兩種求解策略：直接耦合求解（Monolithic/Direct Method）和迭代耦合求解（Partitioned/Iteration/Staggered Method）。