[转帖]Fluent&流固耦合基础教程（下）
Fluent 流固耦合基础教程（下）
作者 Seventy721，
（本文版权属于作者，欢迎转载，但是请保留作者信息）
上半部分在这里：
5. 固体模型
固体变形和运动的求解可以采用很多方法。对于简单的问题，可以采用解析解。目前的这个弹性梁的问题，就可以用采用解析解的方法。对于复杂结构，有限元是比
较常用的方法。建立有限元模型有两种方案。一种是采用三维实体单元完整地模拟出整个梁。这种方法的好处是流体和固体的接触面两边都是实际网格，一边是流体
网格，一边是有限元网格。边界上的位移，速度，受力等计算都比较简单，缺点是固体模型计算量大。第二种方法是采用结构体单元，如梁，板壳等。固体模型简
单，但是接触面上的处理稍微复杂一些。结构体单元在工程上应用得比较普遍。
为了说明如何利用结构体单元做流固耦合，这里采用三节点的梁单元。梁单元是一维单元，单元的几何形状只是一条中性线，没有体积。梁的变形是由中性线的位移
和梁截面的转动描述的。在流体模型中，梁的体积是存在的。梁表面上的流体网格节点的位置需要由梁的变形确定。因此一个关键的步骤是根据梁的变形计算出梁表
面的流体网格节点的位置。
这里的梁采用小变形条件下的欧拉梁。根据欧拉梁理论，梁截面为刚性面且保持与中性线垂直。图9所示为一梁单元。梁表面上有一流体网格节点A。点A所在的截面轴向坐标为ξ。则流体网格节点的位置可以表示为
<img src="/blog7style/images/common/sg_trans.gif" real_src ="/data/attachment/album//0816594xyazzzdz7oyxhyx.png" ALT="" HEIGHT="51" WIDTH="171"
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其中uA是A点的位移向量，uO是O点的位移向量。r是O点到A点的位置向量。Φ是旋转矩阵。对于一般情况，Φ矩阵的分量是欧拉转角的函数，在小变形小转动条件下，可以简化为O点处梁截面的转角的函数:
<img src="/blog7style/images/common/sg_trans.gif" real_src ="/data/attachment/album//sqxt2ozyxqmpu.png" ALT="" HEIGHT="119" WIDTH="259"
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O点处的位移和梁截面的转角可以通过有限元的形函数求得。
<img src="/blog7style/images/common/sg_trans.gif" real_src ="/data/attachment/album//081700lkddk89d9k95998w.png" ALT="" HEIGHT="220" WIDTH="564" NAME="image_operate_5494"
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图10给出了梁变形后其表面上流体网格节点的位置。两个端点处的流体网格没有加以控制，而是交给fluent自动处理，这只是对当前这种支撑情况有效。对于一般情况，如悬臂梁，则需要人工计算。
<img src="/blog7style/images/common/sg_trans.gif" real_src ="/data/attachment/album//mt4zt21ksr2s2p.png" ALT="" HEIGHT="327" WIDTH="575"
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与网格位置计算类似。流体计算所得到的力需要传递给固体模型。梁表面的流体网格上的压力和剪力也需要利用有限元的形函数离散到有限元节点上。有限元方面的基本知识，我在这里就不罗嗦了。任何一本教材上都写得很清楚。
流固耦合问题是瞬态问题，因此需进行时间积分。常用的时间积分算法有Newmark，Wilson-theta，Runge-Kutta等。
Newmark方法在多自由度的线性问题中应用比较普遍。这里我们也采用Newmark方法。但是在程序编写的时候需要注意Fluent
求解流固耦合问题的流程。Fluent必须作为整个过程的主导程序，如图11所示。
<img STYLE="cursor:" src="/blog7style/images/common/sg_trans.gif" real_src ="/data/attachment/album//lb2lcnf6cln62m.png" ALT="" HEIGHT="277" WIDTH="600" NAME="image_operate_92658"
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这种流程模式给程序编写带来一些麻烦，因为Newmark算法的循环被拆解开进行，必须按照单个时间步考虑。这就要求每个时间步之间的数据传递不能用通常
的变量存储。解决的办法有两个：一个办法是用硬盘存储，但是这样耽误在文件I/O上的时间很多；另外一个办法是利用常驻内存的global变量存储，但是
具体操作要看所用的编程语言环境。这里我用Fortran90编写的有限元程序，global
变量保存在独立的module里。如果只用UDF的话，跟C语言一致。
UDF是用Fluent做流固耦合的关键。UDF是Fluent
用来提供可扩展功能的框架。做过windows或者linux程序开发的朋友会觉得很好理解，但不熟悉编程的朋友可能会觉得费解。在这里我简单解释一下它
的意思。Fluent
是个编译好的程序，想要实现功能扩展，最方便的办法就是利用动态链接库。在程序运行的时候将指定的动态链接库调入内存，然后通过预先定义好的接口函数执行
用户定义的子程序。换句话说UDF就是一些放在动态链接库里的函数。这些函数的名字和格式已经由Fluent预先定义好，但是内容是空的，需要用户来写。
会在预定的情况下调用指定的函数，去运行用户定义的代码。所以对用户来说，就是填写一个指定的函数，编译成动态链接库，在Fluent里链接上，然后等着
Fluent来调用。如此简单。
这些预先指定好的函数由被称为定义宏（DEFINE
macro）的宏命令来定义。这是个很拗口的说法，不过一般用户不必深究，拿它当函数来用就是。为了简单起见，下面用“UDF函数”来代替“定义宏”。
Fluent 提供了很多UDF函数，具体有哪些，都是什么功能，诸位可以看Fluent
UDF手册。这里就只说跟流固耦合有关的一个。下面的UDF函数用来定义网格的运动。
DEFINE_GRID_MOTION( name, d, dt, time,
除了编译的方法，Fluent
还支持对UDF的逐行解释执行。这样做方便调试，但是动网格的一些UDF函数是不能这样做的，所以我们还得用动态链接库。
UDF是C语言编写的。Fluent 自带一个C编译器和一堆头文件。UDF的编译可以在Fluent
GUI里自动进行，但是也可以手工完成。有些情况下必须要手工操作，比如有C/Fortran混合编程的时候。顺便说一句，混合程序的编译也是个头疼的问
题，需要费很多周章。这跟所用的操作系统和Fortran
版本有关。如果所写的UDF比较简单，只包括普通的C文件，则自动编译就可以。如果需要手工操作，则要建立如下文件结构
work folder （工作目录，模型放这里）
&&|-& libudf
（UDF目录，有个Makefile）
&&|-& src （UDF源文件放这里）
&&|-& ultra_64
（这个可能根据所用操作系统有所不同）
&&|-& 3ddp （3ddp单机版）
3ddp_host（3ddp并行版主节点）
3ddp_node（3ddp并行版从节点）
然后修改src/makefile文件。之后回到libudf目录执行make。
Fluent 的数据结构是cell - face - node，如图12所示。每个网格的数据点是中心点 (cell
<img src="/blog7style/images/common/sg_trans.gif" real_src ="/data/attachment/album//081703zqenefrmrngefg3f.png" ALT="" HEIGHT="484" WIDTH="421"
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6.1 UDF - DEFINE_GRID_MOTION
这一节讲一下DEFINE_GRID_MOTION 的大体结构。
// 首先引用几个头文件。这几个头文件在Fluent的src 目录下。
#include "udf.h"
#include "dynamesh_tools.h"
#include "sg.h"
// 定义计算梁响应的有限元函数。此函数是Fortran函数。
extern void beam_response_(
&&int *nfgrid,
(*fgrid)[ARR_LIMIT_FACE_BEAM][3],
(*force)[ARR_LIMIT_FACE_BEAM][3],
&&double *gamm,
&&double *beta,
&&double *dt,
&&double *t,
&&int *run,
&&int *ndgrid,
(*dgrid)[ARR_LIMIT_FACE_BEAM*NNODE_ON_FACE][3],
(*disp)[ARR_LIMIT_FACE_BEAM*NNODE_ON_FACE][3],
(*velo)[ARR_LIMIT_FACE_BEAM*NNODE_ON_FACE][3],
&&int *info
// ... (定义其它全局变量和函数)
DEFINE_GRID_MOTION(beam,domain,dt,time,dtime)
&&// beam - UDF 的名字
&&// domain -
当前的domain数据结构，存储了有关网格的信息，但不是网格本身
指向网格数据结构（thead）的指针
&&// time - 当前时刻
&&// dtime - 时间步长
&&// Define variables: pointers
and utilities
&&Thread *t =
DT_THREAD(dt);
&&int idNodeL; // local index of
a node inside a face
&&int countF; // number of
&&int countN; // number of
&&int i,j,k;
定义计算结构响应需要的变量
&& // the axial
coordinate of a grid node
&& // area
&& // distance
between two points
&&double a_by_ //
&&double gamm=0.5;
&&double beta=0.25;
&&// 定义主/从节点间数据传递用的数组...
&&// Define constants
&&const double
&&const double VISCOSITY =
&&const double DENSITY =
&&const double TOLERANCE =
&&const double LOWERLIMIT =
&&// 向量初始化 ...
这一段用来取得梁表面的流体网格节点位置
&&#if !RP_HOST // SERIAL OR
&&countF=0;
&&countN=0;
&&begin_f_loop(f,t) //
扫描当前domain的所有face
PRINCIPAL_FACE_P(f,t)
&countF++;
&if(countF&ARR_LIMIT_FACE_BEAM)
&&&// 错误处理 ...
&f_node_loop(f,t,idNodeL) // 扫描当前face的所有node
&node=F_NODE(f,t,idNodeL);
&& &// NODE_X,
NODE_Y, NODE_Z存储了节点坐标，但是注意node不是整数类型，实际上是联合变量。
&arrNode[countN][0]=NODE_X(node);
&arrNode[countN][1]=NODE_Y(node);
&arrNode[countN][2]=NODE_Z(node);
&countN++;
&&end_f_loop(f,t);
&&// 将数据传输到主节点 ...
将相邻区域设置为动网格
&&#if !RP_HOST // SERIAL OR
&&SET_DEFORMING_THREAD_FLAG(THREAD_T0(t));
计算表面力（见6.2节）
&&// 将数据传输到主节点 ...
&&// 计算梁的响应（见6.3节）
&&// 将数据传输到计算节点 ... (省略)
&&// 更新网格 （见6.4节）
6.2 力的计算
梁表面所受到的激励分为法向力和切向力。法向力由表面压力引起；切向力就是剪力。梁的表面覆盖着流体网格的面(face)。数据的计算在面中点(face
centroid)上进行。法向力的大小等于压力乘以网格面积。剪力等于剪应力乘以网格面积。剪应力等于粘度乘以速度的导数。速度的导数可以简单近似为为
cell centre velocity 除以cell centre 到
wall的距离。当然也可以采用更高阶的近似方法。需要注意的是在并行系统上，网格被分为多个区，每个区之间的交界面上的face会被重复计算。为了防止
这种情况发生，需要用PRINCIPAL_FACE_P判断是否为该face实际存在于当前的区里。
// Obtain the centroid location and the force on the
begin_f_loop(f,t)
&&if PRINCIPAL_FACE_P(f,t)
&&// Save the face id
&&arrFaceID[index]=f;
&&// Obtain the centroid
coordinates and save in arrCentr
&&F_CENTROID(vecXf,f,t);
&&arrCentr[index][0]=vecXf[0]; //
&&arrCentr[index][1]=vecXf[1]; //
&&arrCentr[index][2]=vecXf[2]; //
&&// Obtain the area vector and
&&F_AREA(vecArea,f,t);
&&area=sqrt(pow(vecArea[0],2)+pow(vecArea[1],2)+pow(vecArea[2],2));
&&// Obtain the pressure and
calculate the pressure force
&&pressure=F_P(f,t);
&&vecLift[0]=vecArea[0]*
&&vecLift[1]=vecArea[1]*
&&vecLift[2]=vecArea[2]*
&&arrPForce[index][0]=vecLift[0];
&&arrPForce[index][1]=vecLift[1];
&&arrPForce[index][2]=vecLift[2];
&&// Obtain the shear stress and
calculate the viscous force
&&// get the face
parameters
&&BOUNDARY_FACE_GEOMETRY(f,t,vecArea,distance,vecEs,a_by_es,vecDr0)
&&if(distance &
TOLERANCE) // distance is always positive
& & distance=LOWERLIMIT;
&&// -- get the centroid velocity
of the cell
&&vecVelo[0]=C_U(c,t);
&&vecVelo[1]=C_V(c,t);
&&vecVelo[2]=C_W(c,t);
&&// -- calculate the viscous
force (= shear stress * area)
&&vecDrag[0]=(VISCOSITY/distance)*vecVelo[0]*
&&vecDrag[1]=(VISCOSITY/distance)*vecVelo[1]*
&&vecDrag[2]=(VISCOSITY/distance)*vecVelo[2]*
&&arrVForce[index][0]=vecDrag[0];
&&arrVForce[index][1]=vecDrag[1];
&&arrVForce[index][2]=vecDrag[2];
&&// Increase index
&&index=index+1;
end_f_loop(f,t);
// Calculate the total force
for(i=1;i&=countF;i++)
&&arrForce[1] = arrPForce[1] +
arrVForce[1];
&&arrForce[2] = arrPForce[2] +
arrVForce[2];
&&arrForce[3] = arrPForce[3] +
arrVForce[3];
6.3结构响应
结构响应由Fortran函数求得，采用Newmark时间积分。注意Fortran
函数的末尾要加上一个额外的下划线。另外变量名前要加&，因为Fortran函数参数都是地址传递而非值传递。
// Perform the Newmark scheme.
if (flagInitial!=1)
&&// Calculate the beam
(i=1;i&=countN;i++)
& & arrDisp[0]=0.0;
& & arrDisp[1]=0.0;
& & arrDisp[2]=0.0;
& & arrVelo[0]=0.0;
& & arrVelo[1]=0.0;
arrVelofor(i=1;i&=countF;i++)[2]=0.0;
&&beam_response_(
&&&countF, // nfgrid,
&&&arrCentr, // fgrid,
&&&arrForce,&
&&&gamm, // gamma=0.5,
&&&beta, // beta=0.25,
&&&dtime, // dt,
&&&time, // t,
&& &// run,
0-preparation only, 1-run
&&&countN, // ndgrid,
&&&arrNode, // dgrid,
&&&arrDisp, // disp,
&&&arrVelo,&
&&&info // info
6.4网格更新
得到结构响应以后，需要更新梁表面流体网格节点的位置。可以采用NV_V命令赋值。NODE_COORD(node)对应的是节点node的坐标。由于节
点循环的时候会重复访问两个单元共有的节点，因此更新的时候需要用NODE_POS_NEED_UPDATE检查当前节点是否已经被更新过。
if (flagInitial!=1)
&&// Update the grid nodes
&&index=0;
&&begin_f_loop(f,t)
PRINCIPAL_FACE_P(f,t)
&f_node_loop(f,t,idNodeL)
&&&node=F_NODE(f,t,idNodeL);
NV_V(NODE_COORD(node)
&&&// Update
node if the current node has not been previously
&&&// visited
when looping through previous faces
(NODE_POS_N{
&&arrForce[1] = arrPForce[1] +
arrVForce[1];
&&arrForce[2] = arrPForce[2] +
arrVForce[2];
&&arrForce[3] = arrPForce[3] +
arrVForce[3];
7. 计算结果
为了保证模型的正确性，需要查看数值模拟的结果。这里不讲如何诠释结果，只讲如何检查流固耦合过程是否正确。最直接的方法是观察网格的变形。简单的做法是
在Write/Autosave中定义自动保存的频率。一般按照时间步来保存，比如选择每1000个时间步保存一次。然后查看每次保存的时刻上网格的变形
程度。保存的时候一定要将case和data文件都保存下来。另外保存频率的选择要保证一个振动周期内保存至少5次以上。这样才能看出周期运动。图13是
结构网格变形的例子。
<img src="/blog7style/images/common/sg_trans.gif" real_src ="/data/attachment/album//0817052cvoe9f3do23vg3k.png" ALT="" HEIGHT="693" WIDTH="568"
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查看流体网格是比较麻烦的工作，但也是必须的工作。如果只查看固体变形的过程，并不能说明流场网格也正确变化。笔者第开始运行程序的时候就遇到这样的情
况。；流体网格没有更新，但是流体力被正确地传递给，而固体振动也是正常的。这样的结果得到是接耦合的流致振动解，比如湍流激励引起的振动。但是这样的解
是不正确的，因为没有包括附加质量，流体阻尼，和附加刚度。所以一个很重要的方法是观察结构的响应，然后根据响应分析这些附加质量等效果是否存在。对于这
个梁，没有附加质量的自由振动周期为0.4秒左右，带有附加质量以后上升到0.57秒左右。与理论估计得到的结果一致。
<img STYLE="cursor:" src="/blog7style/images/common/sg_trans.gif" real_src ="/data/attachment/album//zhwje6eejhez2.png" ALT="" HEIGHT="421" WIDTH="600"
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用每天挤牙膏的方式，终于写完了。水平有限，时间有限，只能写到这个层次了。这篇文章写得很粗略，只是作为大概的介绍，很多细致的内容还要读者自己去探
索。流固耦合还是个很有意思的话题的。现在ANSYS做得好，恐怕大家以后都不用这么费劲写UDF了。耦合问题现在主要需要面对的是计算量问题。解决实际
工程问题，没有并行计算恐怕很难完成。
有限体积法和有限元已经都是很成熟的东西。关键是湍流问题不好解决。大涡理论是个很好的方向，只是near
wall条件不好处理。如果能做出好的wall function
就可以极大降低计算量。流固耦合的难题还是在强耦合问题上，据说ADINA做得不错。
希望这篇文章对打算进入流固耦合领域的朋友有点启发，起码算是个快速入门。这篇文章里的代码是具有代表性的段落，但不是完整的程序，请不要不加思考地照
搬。请不要找我要完整代码，我是不会给你的。做这个东西，我是有钱挣的。坦白地说一共挣了八千。如果你非要完整代码也可以，我给你打到极限折，只收十分之
一。顺便说一句，货币单位是美元。
朋友们好好学，这年头知识就是钱。
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以上网友发言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场。70FLUENT14双向流固耦合案例
上亿文档资料，等你来发现
70FLUENT14双向流固耦合案例
说明：本例只应用于FLUENT14.0以上版本；ANSYS14.0是2011年底新推出的版本，在；Coupling，目前只能用于fluent与an；一、几何准备；流固耦合计算的模型准备与单独的流体计算不同，它需；模型中的尺寸：v1:32mm，h2:120mm，；由于流体计算中需要进行动网格设置，因此推荐使用四；二、流体部分设置；1、网格划分；双击B3单元格，
说明：本例只应用于FLUENT14.0以上版本。ANSYS 14.0是2011年底新推出的版本，在该版本中，加入了一个新的模块SystemCoupling，目前只能用于fluent与ansys mechanical的双向流固耦合计算。官方文档中有介绍说以后会逐渐添加对其它求解器的支持，不过这不重要，重要的是现在FLUENT终于可以不用借助第三方软件进行双向流固耦合计算了，个人认为这是新版本一个不小的改进。 模块及数据传递方式如下图所示。 一、几何准备流固耦合计算的模型准备与单独的流体计算不同，它需要同时创建流体模型与固体模型。在geometry模块中同时创建流体模型与固体模型。到后面流体模型或固体模块中再进行模型禁用处理。 模型中的尺寸：v1:32mm，h2:120mm，h5:60mm，h3:3mm，v4:15mm。 由于流体计算中需要进行动网格设置，因此推荐使用四面体网格。当然如果挡板刚度很大网格变形很小时，可以使用六面体网格，划分六面体网格可以先将几何进行slice切割。这里对流体区域网格划分六面体网格，固体域同样划分六面体网格。二、流体部分设置1、网格划分双击B3单元格，进入meshing模块进行网格划分。禁用固体部分几何。设定各相关部分的尺寸，由于固体区域几何较为整齐，因此在切割后只需设定一个全局尺寸即可划分全六面体网格。这里设定全局尺寸为1mm。划分网格后如下图所示。 2、进行边界命名，以方便在fluent中进行边界条件设置设置左侧面为速度进口velocity inlet，右侧面为自由出流outflow，上侧面为壁面边界wall_top，正对的两侧面为壁面边界wall_side1与wall_side2（这两个边界在动网格设定中为变形域），设定与固体交界面为壁面边界（该边界在动网格中设定为system coupling类型）。 操作方式：选择对应的表面，点击右键，选择菜单create named selection，然后输入相应的边界名称。注意：FLUENT会自动检测输入的名称以使用对应的边界类型，当然用户也可以在fluent进行类型更改。完成后的树形菜单如下图所示。
本部分操作完毕后，关闭meshing模块。返回工程面板。3、进入fluent设置FLUENT主要进行动网格设置。其它设置与单独进行FLUENT仿真完全一致。设置使用瞬态计算，使用K-Epsilon湍流模型。这里的动网格主要使用弹簧光顺处理（由于使用的是六面体网格且运动不规律），需要使用TUI命令打开光顺对六面体网格的支持。使用命令/define/dynamic-mesh/controls/smoothing-parameters。动态层技术与网格重构方法在六面体网格中失效。因此，建议使用四面体网格。我们这里由于变形小，所以只使用光顺方法即可满足要求。点击Dynamic mesh进入动网格设置面板。如下图所示，激活动网格模型。
4、smoothing参数使用弹簧光顺方法。设置参数弹簧常数0.6，边界节点松弛因子0.6。如下图所示。
5、运动区域设置主要包括三个运动区域：流固耦合面、两侧的面。其中流固耦合面运动方式为systemcoupling，两侧壁面运动类型为deforming。设置最小网格尺寸0.8，最大网格尺寸1.5，最大扭曲率0.6。如下图所示（点击查看大图）。 包含各类专业文献、应用写作文书、幼儿教育、小学教育、行业资料、生活休闲娱乐、高等教育、70FLUENT14双向流固耦合案例等内容。　
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已经下来啦，多谢
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不错，很好的帖子啊。。。。。顶一个
谢谢，顶一下
谢谢楼主分享！正要学习~
谢谢分享~~~~
fluent流固耦合传热设置问题，谢谢！！！
可以下 感谢
谢谢楼主了
回复 1# 泉眼无声 的帖子
楼主的方式我试过，同时，fluent有个interface耦合的方式。不过，发现这两种方式计算的结果不一样，特别是一边是多孔，一边流体。迭代的结果，就好像多孔是一个坑，流体都掉进去了。所以后感感觉，这种interor的方式对于流固耦合还是有一定问题的。可以试验一下。
另外，那种interface的方式，需要在界面上生成两个重叠的边，分别对应流体和固体的界面，给定interface边界条件。再到fluent里面用grid interface进行耦合。
为什么我设置的时候，求解器是“基于压力”和“基于密度”，没有耦合求解器啊？
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3维流固耦合传热交界面怎么出现shadow面
螺旋翅片管流固耦合计算耦合面的设置问题对空气外掠螺旋翅片管（模型见图1）进行三维流固耦合数值模拟研究，使用建模，gambit画网格，fluent计算。假定空气入口参数：温度为300K，速度为5m/s，基管和翅片即整个螺旋翅片管处于恒壁温状态( T =400K) ，翅片管内径为44mm，外径50.8mm，翅片高度25.4mm，翅片厚度2mm，为3mm。螺旋翅片管模型通过创建后倒入Gambit进行网格划分，采用分块划分网格技术将计算区域分为3快，其中对翅片区进行局部加密。并将翅片管设为固体材料，其余均为流体材料。导入fluent计算发现管外空气温度场几乎没有改变。本人初步分析，认为可能是流固耦合面设置不对，在设置的时候发现没有产生空气与翅片管交界出的（shadow）面。试了很长时间都无法解决此问题，针对本例中的流固耦合面设置问题希望各位高手能不吝赐教！在此先对各位的关注表示感谢！
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1.split2.setting fluid and solid zone in GAMBIT
你这个分块划分是怎么做的啊
切割面或切割体可以做的很大吗？是可以画开就行还是轮廓必须重合？具体怎么做啊
能教教我这个网格是如何画的吗？我怕也是在做这样的仿真，初学者不太会
把你联系方式留下
我也在做一个散热器添加翅片的fluent数值模拟，跟你这个蛮相似的，螺旋翅片管流固耦合是和内部相通的吗，也是对流传热模型吗
内&&容:使用签名档&&
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