热-流-固耦合模拟是工程中常会遇到的课题。该类模拟主要是要计算相互接触的流体域和固体域之间相互作用的情况，包括压力传递、位移传递、热量传递等作用要素；通过这种关键的模拟，我们最后就能得到流体域的流速、压力等结果信息，以及固体结构件的应力、位移、频率等结果信息。

当固体域自身没有动力，在流体流动作用下受迫变形且刚性很大而变形极小时，可以认为固体域本身对流体域边界没有反向地影响，这种情况我们称之为静态固体对流体的单相耦合计算。（该型实例见本节“案例一”）

当固体域自身有外加动力源而主动大幅度运动，或者其本身刚性很小、在流体流动作用下产生较大受迫变形时，这两种情况都涉及固体域对流体域的边界位置有反向的影响，这种情况我们称之为固体与流体之间的双相耦合计算。（固体域主动运动耦合实例见本节“案例二”， 固体域受迫大变形耦合实例见“流致振动”章节）

一、弯曲方管的单向热-流-固耦合模拟案例

本案例要研究的对象，是一型带有液体加热功能的弯曲方形管道内的流动情况及其中间一段管道壁的受力情况（如下面<几何模型图>中紫色区段所示）。管道材料为结构钢，棱边均已倒圆角；左边为液体入口，右侧为出口，进口流速10.0m/s，进口温度常温20℃，出口压力为0Pa。

几何模型图

该紫色区段管道位于三向转弯处，其两端连接形式，考虑适当降低热膨胀效应设计为半刚性连接：管道下端面为完全刚性固定端，管道上端面为刚性截面且仅限ZX平面内自由移动和转动（Y向完全不动）。

同时，基于工艺要求的液体加热功能，该紫色区段管道内部均匀密布细电热丝，以保证液体在经过该区域时，单位体积内释放的电热功率是一致的。

以下共分两阶段模拟本案例，第一阶段我司首先按未开启电加热条件，模拟了流动和管壁受力情况（流-固耦合）；第二阶段再开启电加热，模拟完整的热-流-固耦合情况。

  1. 按未开启电加热的流-固耦合模拟结果

液体流线图-颜色代表流速大小

液体静压力场

管道内壁面-流体压力荷载分布

从上图的流体压力荷载分布可见，管道内壁在两个转角外旋侧承受的正压力比较大，在两个转角内旋侧承受的负压力比较大。从下图的管壁应力分布可见，最大的应力点位于固定端面处的两个斜对角位置上，范式应力值154 MPa。

管道壁面应力分布（1）-范式应力 

  2. 开启电加热后的热-流-固耦合模拟结果

下图是紫色管道区域以某一额定功率全域加热后的流体温度分布。可见，在紫色管道区域内，液体随流动温度逐渐升高，但因为流速的不均匀温差明显；在低流速的涡流区，对流散热效率低，温度较高。相对应的，后面的<管道内壁面-流体温度荷载分布>中，管壁的温度最高区，就在第一个弯头的外转角侧，接近250℃。

液体静温度场

管道内壁面-流体温度荷载分布

从下图的管壁应力分布可见，在流体压力和壁面温度差双重荷载作用下，最大的应力点位于第一个弯头外旋侧入口处的倒角点上，范式应力值301 MPa。从后图的管壁位移分布可见，最大的位移点位于上端面右上角，位移值约4mm；上端面整体位移趋势是由原始位置向右上方移动，同时顺时针转动。

管道壁面应力分布（2）-范式应力

管道壁面位移分布

二、电动翻板门的双向流-固耦合模拟案例

本案例要研究的对象，是在一条定压差流动的弯曲方形管道中，设置了一型带有外接电控驱动装置的翻板门。该型翻板门属于非全闭式阀门，材料为结构钢，可以在旋转的过程中用于调节流量，其轴承的两端为电控动力装置的连接和驱动点。详见下图所示：

几何模型图

本案例在管道中的流动介质为常温液体，翻板门转动的过程中管道两侧压力恒定。左侧为流动入口，总压保持0.2 MPa；右侧为流动出口，静压力保持0.1MPa。翻板门初始状态为竖直，在20s内沿顺时针匀速转动90度角至水平状态，停留数秒后回转至竖直状态。以下各图片，均为转至45角时的瞬时状态模拟结果：

液体流线图-颜色代表流速大小

液体静压力场

<翻板门-液体压力动态变化>-动态视频

从上面的视频可见，翻板门转动过程引起的液体压力场变化是很大的，当转至水平全开时，液体动压最大，所以入口处的静压明显减小了。

液体流速场

<翻板门-液体流速态变化>-动态视频

从上面的视频可见，翻板门转动过程中，前1/4周液体流速逐渐增大，后1/4周流速逐渐减小；虽然流速变化的总的趋势稳定，但也有明显的小幅度晃动现象，这个和固体结构件的弹性振动有一些关联。

下图中，挡板门轴承两端伸入驱动机构的部分实际受力情况复杂，这里仅按无平移的刚性体考虑，其唯一运动趋势就是绕初始轴线同步转动，不计算结构应力。

档板门应力分布-范式应力

<翻板门-结构应力动态变化>-动态视频

从上面的视频可见，翻板门转动全过程中，初始竖直位置和结束竖直位置的应力都很大，水平位置应力最小。而极大应力时间点，发生在由水平位置回转竖直位置过程的前半段，因为从敞开到闭合会有轻微的“水锤效应”，具体极大应力位置点是轴承靠近刚性体区段的两个斜45度侧面，极大值接近260 MPa。