FLUENT流-固-熱耦合分析

     ANSYS FLUENT軟件自V2019版本起，新增了Structure結構求解功能，能夠基于Fluent軟件進行簡單模型的結構應力、變形分析，具備線性及非線性結構分析功能。本案例基于ANSYS FLUENT 2020R1進行管道閥門流-固-熱三場耦合分析。

1 模型描述

     如圖所示尺寸的三維管道模型，管道模型中存在4個簡化的閥瓣模型，給定管道入口氣體流速為10m/s，閥板內給定體積熱源為2000000w/m^3；

閥瓣模型材料參數：

密度：2700kg/m^3；

比熱：871J/kg.K；

熱傳導系數：202W/m^2.K；

楊氏模量：2.5E7Pa；

泊松比：0.37；

2 網格劃分

本案例網格基于ANSYS ICEM CFD進行全六面體網格劃分，網格如下圖所示：

流體區域：480000六面體網格；

固體區域：3800六面體網格。

3 FLUENT求解設置

   求解計算分兩步完成，首先不考慮結構變形對流體-固體進行穩態共軛傳熱分析，然后基于上一步仿真計算結果考慮流固耦合作用實現瞬態流-固-熱耦合仿真分析。

3.1流固共軛傳熱仿真

?  啟動FLUENT軟件，利用菜單File>>Read case….打開文件對話框，讀入網格文件vavle_test.msh；新版本顯式界面如下：

?  新版本的FLUENT軟件默認選擇k-w sst湍流模型，本案例不做修改；

?  激活能量方程

?  邊界條件設置

     1）固體區域熱源：2000000W/m^3；選擇對應的固體區域，勾選source terms加載能量源項。

     2）入口邊界：流速10m/s，溫度300K，水力直徑0.15m；   

    3）出口邊界：出口壓力0Pa，回流溫度300K，水力直徑0.15m；

?  求解計算

     保持默認設置，計算迭代200步。

?  計算結果

                                                                       速度分布

                                                                              溫度分布

3.2 流-固-熱耦合仿真

?  基于流固共軛傳熱仿真計算結果，修改計算模型求解格式為Transient；

?  打開models，選擇structure模型，勾選Linear Elasticity模型

?  邊界條件設置

   1）固體區域固定壁面：給定壁面節點0位移邊界；

   2）流固交界面（固體壁面）：給定流固耦合邊界，自動傳遞流體壓力載荷；  

?  動網格設置：將結構變形自動加載給流體，采用smoothing動網格類型，自動選擇Linear Elastic Solid方法；

?   對流固耦合面，流體側設定為運動邊界，運動類型選擇Intrinsic FSI；其他區域為固定區域無需設置。

?  求解設置，給定時間步長，時間步，進行求解。

4 計算結果

1）  固體區域最大位移隨時間變化曲線：

2）  截面流場隨時間變化情況；

3）  閥瓣變形隨時間變化情況。

5 其他說明

1）  FLUENT Structure不支持多面體網格；

2）  FLUENT structure不支持workbench運行。