流固耦合的基本概念

流固耦合力学是一门比较新的力学边缘分支，是流体力学与固体力学两者相互交叉而生成的。它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场的影响。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作，固体在流体动载荷作用下产生变形或运动，而固体的变形或运动反过来影响到流场，改变流体载荷的分布和大小。

流固耦合方程的特点是方程的定义域同时有流体域和固体域，未知变量既有流体变量又有固体变量，而且流体域和固体域通常无法单独求解。

按照耦合机理，流固耦合问题可以分为两类，第一类是两相部分或全部重叠在一起，很难明显地分开，如渗流问题；第二类的特征是耦合作用仅发生在两相交界面上。Zienkiewcz 和 Bettess曾将第二类流固耦合问题分为三种情况：一是流体和固体间有大的相对运动情况，如飞机飞行状态下的气动弹性力学问题；二是有限流体运动的短周期情况，如流体受冲击和水下爆炸问题；三是有限流体位移的长周期情况，如充液容器的流固耦合振动问题（储油罐）。

采用有限元方法分析流固耦合系统的动力学问题时，通常对结构采用位移作为基本变量，对流体既可采用位移也可采用各种势函数作为基本变量。当对流体采用位移进行描述时，理想流体可认为是一种剪切刚度为零的固体，因而固体力学的各种方法便可拓展到整个流固耦合系统，但剪切刚度为零在位移格式中会造成很多虚假的零能模态，因此这类位移格式表示的流体单元不适合液固耦合系统中的模态分析。另一种流体的格式是各种势函数，如速度势、压力等。如果采用压力作为基本未知量，则方程的规模可以大大降低，而且不存在零能模态。但采用结构位移和流体压力来分析流固耦合系统得到的方程是非对称的，这种大型非对称方程的求解是一个必须解决的问题。