一、案例簡介

如圖1 所示的管道，水平管道長度為150mm，直徑為24mm，豎直管道直徑為16mm，高度為50mm，分別距離左端面45mm 和95mm，整體管道壁厚為2mm。20℃的低溫水從左端的入口流入，流速為1m/s，50℃的液態水和80℃的液態水分別從豎直的管道流入，流速均為0.5m/s，冷熱水流混合后從右端流出，周圍的環境溫度為20℃。

圖1 管道結構示意圖

二、設計思路

1. 幾何模型建立

2. 流體域網格劃分

3. Fluent 計算

4. 溫度加載

5. 穩態熱分析

6. 溫度加載

7. 熱應力分析

三、模型建立

在workbench 的工具箱中拖拽Fluid Flow（Fluent）、Steady-State Thermal 和Static Structural模塊進入工作界面中，數據傳送關系如圖2 所示。

圖2 數據傳送關系

在SolidWorks 中建立相應模型， 并轉化成ansys 適用的x_t 格式。雙擊A2 打開DesignModeler，導入相應模型。

圖3 模型分別在SolidWorks 中和在DesignModeler 中顯示

選擇Tools 工具欄下的Fill 命令，選定管道內壁的三個面，單擊Details View 面板中的Apply按鈕，之后單擊Generate 按鈕，生成相應的流體域，并將流體域命名為Fluid。在流體域Fluid中分別定義冷流入口端面，熱流入口端面1，熱流入口端面為2 為coldinlet，hotinletone 和hotinlettwo，定義出口端面為outlet。

圖3 fill 命令選取內部面

圖4 入口出口命名

選定所有外部壁面定義為wall。最后定義耦合面，定義流固交界面流體一側的三個面為interfacef2s，定義流固交界面固體一側的三個面為interfaces2f，面的選取如圖5 所示。

圖5 流體域和固體域邊界圖示

四、網格劃分

雙擊A3 打開Meshing 模塊，網格劃分主要有三部分，選定固體域定義網格方法為Automatic Method，選定流體域定義網格方法同樣為Automatic Method，最后，在流體域中選擇與固體域相交的三個面定義膨脹層Inflation。為了使網格更合適質量更好，在detail of‘mesh’面板中定義相應參數，其中定義Relevance 為100，Relevance Center 為fine，Smoothing為High，Span Angle Center 為Fine，其余選項均保持默認即可。單擊Generate Mesh 生成網格，得到節點數為64628，網格數量為190857。觀察網格質量，網格質量總體均在0.5 以上，基本可以認為網格質量良好。

圖5 劃分的網格

圖6 網格劃分設置圖

圖7 網格質量

五、fluent 計算

雙擊A4，打開Fluent，保持默認設置，按照流程樹逐項進行設置，首先在general 面板中，單擊Scale，設置視圖中的單位為mm，緊接著單擊check，檢查網格，確定網格沒有負體積，至此，網格基本可以認為沒有問題，按照視圖中方為設置重力方向為Y 軸負方向。其他選項保持默認。單擊models 面板，打開能量方程，并選用標準的k-episilon(2eqn)Viscous模型。單擊materials 面板，加載液體材料為water-liquid，加載固體材料為Steel。單擊Cell ZoneConditions 面板，給流體域施加water-liquid 材料，給固體域施加Steel 材料。單擊BoundaryConditions 面板，添加邊界條件，coldinlet 為冷流入口，水流速度為1m/s，水流溫度為20℃，湍流強度5%，水力直徑20mm；hotinletone 為熱流入口1，水流速度為0.5m/s，水流溫度為50℃，湍流強度為5%，水力直徑為16mm；hotinlettwo 為熱流入口2，水流速度為0.5m/s，水流溫度為80℃，湍流強度為5%，水力直徑為16mm；wall 的溫度為環境溫度20℃；outlet自由處流，設置出口壓力為0Pa，湍流強度為10%，水力直徑為20mm。單擊Mesh Interface面板，觀察自動生成的耦合面，查看是否有問題。

考慮到本次案例模型簡單，邊界條件也不復雜，所以Solution Methods，Solution Controls采用默認設置即可。單擊Monitor 面板雙擊Residuals 設置計算的殘差為1e-5。單擊SolutionInitialization 選擇Standard Initialization，Compute from all-zones，單擊Initialize 完成初始化。單擊Run Calculation 面板設置迭代步數為500，單擊Calculate 進行計算。

圖8 單位設置

圖9 general 面板設置

圖10 模型面板設置

圖11 材料面板設置

圖12 冷流入口流速和強度設置

圖13 冷流入口溫度設置

圖12和圖13僅顯示了冷流入口的設置，其余的入口和出口以及避免的設置與圖12和圖13的設置方法相同，不在作圖展示。

圖14 自動生成的接觸面

圖15 初始化設置

圖16 計算設置

圖17 殘差設置

圖18 迭代曲線

單擊Graphics 面板，選中Contours 后單擊Set Up，為便于觀察，單擊New Surface 下的Plane 新建一個平面，根據本次案例的情況，需選用YZ 平面來進行觀察，平面設置如圖19所示。平面設置完成后，觀察所選用平面上的壓力速度和溫度云圖。

圖19 中間平面設置圖

圖20 速度云圖

圖21 壓力云圖

圖22 溫度云圖

六、穩態熱分析

完成流體計算之后，單擊B4 進入穩態熱分析模塊，將流體區域抑制，并將固體區域生成網格，生成方法與之前類似。之后右鍵單擊Imported Load—Insert—Temperature 將流體計算的溫度場導入，在固體域溫度的接受面為固體的內表面，之前已經進行定義，直接選用即可，Cfd surface 選用計算的流固界面溫度。右鍵單擊Imported Load，單擊右鍵菜單的ImportedLoad 導入溫度。

右鍵單擊Steady-State Thermal 插入邊界條件，設置外壁面的對流換熱系數為10W/m2·℃，環境溫度為20℃。設置三個入口的端面溫度與入口流體溫度一致。在solution 中插入溫度和總的熱流量。單擊solve 進行求解。

圖23 流場溫度導入

圖24 穩態熱力學計算結果

七、變形及熱應力分析

雙擊C5 進入靜態結構計算模塊右鍵單擊Imported Load 打開右鍵菜單后單擊ImportedLoad 導入固體域的溫度。右鍵單擊Static Structural—Insert—Fixed Support 給三個入口端面施加固定約束。完成邊界條件的加載。右鍵單擊Solution 插入總變形和應力。單擊solve 進行求解。

圖25 結構靜力學計算中導入溫度

圖26 溫度對管道造成的應力

圖27 溫度導致管道的變形

來源：百度文庫