Ansysブログ
March 1, 2022
流体-構造連成とは
流体-構造連成（FSI: Fluid-Structure Interaction）は、流体流れと固体構造の相互作用です。タービン翼を回転させる突風、波が多く立つ条件下での船体、F1カーのフロントパネル上を空気が急激に流れるような状況を考えてみてください。流体と構造が出会う場所で、FSIが生じます。
FSIは製品設計とパフォーマンスにどのような影響を与えるか
FSIを理解することは、多くの製品の設計に不可欠です。流体が固体に与える影響、またはその逆を考慮しないと、製品のパフォーマンスの過大評価または過小評価につながる可能性があります。その結果、最終製品の設計は、煩わしい騒音から製品の完全な故障まで、予期しない、あるいは望ましくない結果につながる可能性があります。
橋梁、航空機、ガスタービンのいずれを設計する場合でも、流体と構造の相互作用がプロジェクトにどのように影響するかを理解するには、両方の挙動を正確に予測して統合するソリューションが必要です。
FSIの適用分野
航空機の設計: 航空機が飛行するとき、翼の周りの空気の流れが翼を変形させ、これにより空気の流れが変わり、翼がさらに変形します。翼の設計でFSIを解析することで、航空機の空力性能が劇的に向上します。
血流のモデリング: 動脈瘤における血管閉塞の影響を評価するために、FSIでは血圧と血流速度が血管の伸縮とサイズの変化にどのように影響するかが考慮されます。
サウンドの予測: 車両上を空気が流れるとき、フードやサイドミラーのような面は振動し、車内までサウンドが放射されます。これらのFSIに対処することで、エンジニアは騒音を減らし、乗客の快適性を高めるために設計を調整することができます。
FSIにおけるマルチフィジックスシミュレーションの役割
FSIが製品を危険にさらす前に、マルチフィジックスシミュレーションを使用してそれを予測し、防止することができます。
たとえば、乱気流と圧力の変化が水力発電タービンの健全性にどのように影響するかを確認したい場合、Ansys FluentシミュレーションおよびAnsys Mechanicalシミュレーションの両方から提供されたデータを解析に含めることができます。これらのシミュレーションを個別に使用した場合、一度に1つの側面しか示されません。しかし、Ansys Workbenchを介して統合すると、2つの物理特性が互いにどのように影響を与えるかを最も正確に予測できます。
Workbenchは、シミュレーションソルバー間でデータを自動的に交換し、ナビゲートするための単一のシームレスなワークスペースを提供します。
Workbenchの高度なメッシュマッピングテクノロジーにより、データを手動で入力、コードを記述、あるいはデータファイルを変換することなく、数値流体力学（CFD）から有限要素法解析（FEA）まで、データを正確に変換したり、戻したりすることができます。CFDおよびFEAシミュレーションを設定し、ドラッグアンドドロップすることで、すべてが単一の空間に移されるため、手動入力の減少によりエラーが大幅に減少します。
一方向または双方向のFSIシミュレーションが必要であるか
モデリングのアプローチは、流体と固体の間の物理的な連成の度合いと、求められる忠実度のレベルによって異なります。剛体運動および共役熱伝達を伴うアプリケーションでは、変形は無視でき、問題全体をCFDソルバー内で効率的に解くことができます。
応力と変形を考慮する必要がある場合、流体シミュレーションと構造シミュレーションが連成され、一方向または双方向の連成シミュレーションのどちらであっても、ソルバー間でデータが転送されます。
関連コンテンツ: 構造解析のためのFEAメッシングの基礎知識
一方向FSIシミュレーションの実行方法
Workbenchでは、CFDシミュレーションとFEAシミュレーションを直接連携させることで、一方向シミュレーションを簡単に実行できます。これは、シミュレーションのジオメトリセルと解析セルを自動的に接続する単純なドラッグアンドドロップタスクによって行えます。
双方向FSIシミュレーションの実行方法
CFDシミュレーションとFEAシミュレーションをSystem Couplingと連携させることで、双方向シミュレーションを実行できます。このビデオでは、Fluentで一方向シミュレーションを作成し、Workbench経由でMechanicalを使用して、それを双方向シミュレーションに変換しています。Workbenchを介して可能になった双方向のデータ交換は、同時かつ簡単なシミュレーションを作成します。
FSIを使用した予測と防止
FSIシミュレーションは、流体流れと固体構造の間の相互作用を予測することで、パフォーマンスに影響を与え、製品故障につながる損傷を防止するのに役立ちます。FSIシミュレーションの詳細については、Ansys Workbenchにアクセスし、次の関連リソースを参照してください。