基于ANSYS Workbench流-熱-固多場耦合算法演繹


目前,隨著對產品的要求越來越多,單場載荷作用的響應,已經不能滿足工程需求,所以多場耦合計算是必不可缺的,基于ANSYS Workbench可以實現結構場,流場,溫度場,電場和磁場的耦合,具備解決復雜多場耦合的計算問題能力。本文主要探討基于ANSYS Workbench平臺的流-熱-固多場耦合的算法。



完全耦合


完全耦合算法,也稱為直接耦合算法。主要使用耦合場單元求解熱-固的耦合計算,該算法的基本思想是在一個單元節點上擁有三個方向節點變形+一個溫度自由度,共四個自由度,即{UX UY UZ T},該方法主要解決熱-固強耦合的問題,例如摩擦生熱計算,塑性變形生熱,粘性生熱計算,這些問題中結構的變形與自身的溫度場之間是相互的影響的。如圖給出了SOLID226單元的示意圖,該單元的基本形狀為六面體,當然還有三種退化單元形狀,建議在計算中避免使用退化形狀,因為退化單元會降低求解精度。
基于ANSYS Workbench流-熱-固多場耦合算法演繹的圖1
圖1 SOLID226單元示意圖
基于ANSYS Workbench流-熱-固多場耦合算法演繹的圖2
圖2 基于耦合場單元的求解模塊
如圖2所示,給出了熱-固直接耦合的求解模塊,圖2中兩個模塊分別可以進行穩態和瞬態的熱-固直接耦合計算。


迭代耦合


迭代耦合,主要通過兩個不同的求解器完成不同場的變量求解,然后通過一個數據映射模塊,再考慮場之間耦合的一種方法。該方法適用于流-固耦合計算,流-熱耦合計算。該種方法,流體的求解主要通過Fluent完成,結構的求解可以使用結構模塊或結構熱模塊,由用戶的需求確定。場之間的數據交換模塊稱為系統耦合器,如圖3所示。


基于ANSYS Workbench流-熱-固多場耦合算法演繹的圖3
圖3 基于系統耦合器的迭代耦合計算
圖4和5分別給出了基于系統耦合器的流固和流熱耦合計算分析系統。流固耦合計算中,主要通過系統耦合器交換流體壓力與結構變形數據,流熱耦合計算中,主要基于對流換熱計算公式進行數據交換。
基于ANSYS Workbench流-熱-固多場耦合算法演繹的圖4
圖4 基于系統耦合器的流固耦合計算
基于ANSYS Workbench流-熱-固多場耦合算法演繹的圖5
圖5 基于系統耦合器的流熱耦合計算
如圖6所示,給出了迭代計算過程中場之間的數據映射無誤差曲線,默認的數據映射殘差為1%。
基于ANSYS Workbench流-熱-固多場耦合算法演繹的圖6
圖6 迭代計算過程中場之間的數據映射誤差曲線

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