Maxwell和FLUENT電磁熱流耦合

    

一、問題描述       

如【圖1】 所示為一個幾何模型，線圈通有頻率為 2500Hz 大小為 500A 的電流（如圖1中剪頭方向所示），在線圈的中心部位放置有一塊材質(zhì)為普通鋼的鋼塊，鋼塊下方 500mm處有有一通風口，風速為 20m/s，溫度為 300K，鋼塊上方 500mm 處設(shè)置為自由出流。試分析鋼塊在上述工況下的溫度場分布情況、風的流線圖及風的溫度分布云圖。

 

二、軟件啟動與保存

        

Step1：啟動 Workbench。如【圖2】 所示，在 Windows XP 下單擊“開始”→“所有程序”→ANSYS14.0→Workbench 14.0 命令，即可進入 Workbench 主界面。

 

Step2：保存工程文檔。進入 Workbench 后，單擊工具欄中的 按鈕，將文件保存為“MagtoThemtoFluid”，單擊 Getting Started 窗口右上角的（關(guān)閉）按鈕將其關(guān)閉。

注意：本節(jié)算例需要用到 ANSOFT Maxwell14.0 軟件，請讀者進行安裝；

由于 ANSOFT Maxwell 軟件不支持保存路徑中存在中文名，故在進行文檔保存時，保存的路徑不不能含有中文字符，否則會發(fā)生錯誤。

三、導入幾何數(shù)據(jù)文件

     

Step1：創(chuàng)建幾何生成器。如【圖3】所示，在 Workbench 左側(cè) Toolbox（工具箱）的Analysis Systems 中單擊 Maxwell 3D 并按住左鍵不放將其拖到右側(cè)的 Project Schematic 窗口中，此時即可創(chuàng)建一個如同EXCEL 表格的項目 A。

Step2：雙擊 A2（Geometry）進入如 【圖4】 所示的電磁分析環(huán)境，此時啟動了 Maxwell 3D 軟件。

 

Step3： 依次選擇菜單 Modeler → Import ，在出現(xiàn)的 Import File 對 話 框 中 選 擇ThermaltoFluid.x_t 幾何文件，并單擊打開按鈕。 

Step4：此時模型文件已經(jīng)成功顯示在 Maxwell 軟件中，如【圖5】所示，同時彈出Modal Analysis 對話框，在對話框左側(cè)的欄中顯示的幾何圖形為 Good 表示數(shù)據(jù)讀取無誤，單擊 Close 按鈕。

 

Step5：選中圖中的外面的立方體幾何，如【圖6】 所示，然后進行如下操作：

選中外面的立方體，使其處于加亮狀態(tài)；

單擊 Properties 欄中的 Transparent 后面的按鈕；

在彈出的對話框中將滑塊從 0 位置移動到 1 的位置，這是外面的立方體幾何將變成透明狀態(tài)。

 

四、求解器與求解域的設(shè)置

Step1：設(shè)置求解器類型。如【圖7】所示，選擇菜單欄中的 Maxwell 3D→Solution Type…命令。

Step2：在彈出【如圖8】所示的 Solution Type 對話框中選擇 Eddy Current（渦電流分析），單擊 OK 按鈕關(guān)閉 Solution Type 的對話框。

 

五、賦予材料屬性

Step1：賦予材料屬性。在模型樹中選擇 Box3 模型名，單擊右鍵在彈出的快捷菜單中選

擇 Assign Material…命令，如【圖9】所示，此時會彈出 Select Definition 對話框。

Step2：在如【圖10】 所示的 Select Definition 對話框中選擇 Aluminum 材料并單擊“確定”按鈕，此時模型樹中 Box3 的上級菜單由 Not Assigned 變成 Aluminum，求解域默認為真空 Vacuum。

Step3：同樣，如【圖11】 所示，將 Box4 模型設(shè)置為 steel stainless。

 

Step4：同樣，如【圖12】所示，將 Box5 模型設(shè)置為 Vacuum。

 

六、添加激勵

Step1：創(chuàng)建激勵。單擊鍵盤 f 鍵，然后用鼠標左鍵選擇如【圖13】 所示一個端面，單擊右鍵在彈出的快捷菜單中選擇 Assigned Excitation→Current 命令。

 

Step2：此時會彈出如【圖14】 所示 Current Excitation 對話框，在該對話框作如下輸入：

在 Value 中輸入 500；

在后面的單位選項欄中選擇 A；

在 Type 欄中選擇 Stranded，單擊 OK 按鈕，完成參數(shù)的設(shè)置。

Step3：同樣，將線圈另外一個端面也設(shè)置為 500A 的電流，與上面操作步驟不同之處為：

此處的電流方向設(shè)置為子里向外的，如【圖15】 所示，此時只需單擊 Swap Direction 按鈕即

可完成相應的操作

Step4：右鍵單擊 Box4，如【圖16】 所示，在彈出的快捷菜單中依次選擇 Assign Excitation→Set Eddy Effects?命令，并勾選彈出的對話框中的 Box4 項，設(shè)置渦流效應。

 

Step5：選擇 Box4 幾何，右鍵單擊 Project Manager→Mesh Operation，在彈出如【圖17】

所示快捷菜單中依次選擇 Assign→On Selection→Skin Depth Based?，在彈出的對話框中如圖下設(shè)置：

在 Skin Depth Based Refinement 對話框中單擊 Calculate Skin Depth?命令；

在彈出的 Calculate Skin Depth 對話框中的 Frequency 欄中輸入 2500，單位選擇 Hz，并單擊 OK 按鈕；

在 Skin Depth Based Refinement 對話框中單擊 OK 按鈕

 

Step6：右鍵單擊 Project Manager→Analysis，如【圖18】 所示，在彈出的快捷菜單中選擇 Add Solution Setup 命令，添加求解器。

Step7：此時彈出如【圖19】 所示求解器設(shè)置對話框，選擇 Solve 選項卡，在選項卡中作如下設(shè)置：

在 Adaptive Frequency 欄中輸入 2500，設(shè)置頻率為 2500Hz；

勾選 Use higher order shape function 選項，選擇高級形函數(shù)；

其余保持默認，單擊確定按鈕。

七、模型檢查與計算

通過上面的操作步驟，有限元分析的前處理工作全部結(jié)束，為了保證求解能順利完成計算，需要先檢查一下前處理的所有操作是否正確。

Step1：模型檢查。單擊工具欄上的 按鈕出現(xiàn)如【圖20】 所示的 Validation Check對話框，綠色對號說明前面的基本操作步驟沒有問題。

注意：如果出現(xiàn)了 ，說明前處理過程中某些步驟有問題，請根據(jù)右側(cè)的提示信息進行檢查。

Step2：求解計算。右鍵單擊 Project Manager 中的 Analysis→Setup1 命令，在彈出快

捷菜單中選擇如【圖 21】 所示的 Analyze 命令，進行求解計算，求解需要一定的時間。

 

八、后處理

Step1：顯示磁場分布云圖。求解完成后，選中幾何模型樹中的 Planes→Global：XZ 平面，單擊右鍵在彈出如【圖22】 所示的快捷菜單中選擇 Field→H→Mag_H 命令，此時將彈出 Create Field Plot 對話框。

 

Step2：在彈出如【圖23】 所示的 Create Field Plot 對話框中的 Quantity 中選擇 Mag_H，

在 In Volume 中選擇 AllObject。并單擊 Done 按鈕如【圖24】 所示。

 

Step3：同理操作如【圖25】 所示為磁場矢量圖。

 

圖25：磁場矢量圖

Step4：鋼塊的渦電流密度分布云圖如【圖26】 所示。

Step5： 鋼塊損耗分布。 選 中 Box4 ， 單 擊 右 鍵 在 彈出 的 快 捷 菜 單 中 依次 選 擇Field→Other→Ohmic-Loss 命令，如【圖 27】 所示為 Box4 的損耗分布。

Step6：選擇 Maxwell 3D→Fields→Calculator?，在彈出如【圖 28】所示計算器中作如下操作：

單擊 Quantity 按鈕，在下拉列表中選擇 Ohmic Loss 選項；

單擊 Geometry?按鈕，在彈出的 Geometry 對話框中點選 Volume，然后選擇 Box4 項，并單擊 OK 按鈕；

單擊∫按鈕，最后單擊 Eval 按鈕進行計算，計算得到的損耗值為 221.7w。

 

Step7：關(guān)閉 Maxwell 平臺。

九、創(chuàng)建流體力學分析和數(shù)據(jù)共享

Step1：回到 Workbench 窗口中，在如【圖29】 所示的表格 A4（Solution）上單擊右鍵，

在彈出的快捷菜單中選擇 Transfer Data To New→Fluid Flow (FLUENT)命令，此時會在 A 表的右側(cè)出現(xiàn)一個 B 表，同時出現(xiàn) A4 與 B4 連接曲線，這說明 A4 的結(jié)果數(shù)據(jù)可以作為 B4 的外載荷使用。

 

Step2：幾何模型數(shù)據(jù)讀入。單擊 A2（Geometry）直接拖拽到 B2（Geometry）欄中如【圖30】 所示。

 

十、9DM 中幾何數(shù)據(jù)文件

Step1：雙擊項目 B 中的 B2（Geometry）進入如【圖31】 所示的流體分析環(huán)境，此時啟動了 DM 軟件。選擇 mm 單位，并單擊 OK 按鈕。

 

Step2：在 DesignModeler 平臺的工具欄中單擊 按鈕生成幾何文件。

Step3：此時模型文件已經(jīng)成功顯示在 DM 軟件中，如【圖32】 所示，。

Step4：抑制幾何。單擊 Box3 和 Box5 兩個文件名，單擊右鍵，在彈出的如【圖33】所示的快捷菜單中選擇 Suppress Body 命令。

 

Step5：創(chuàng)建流體域。單擊工具欄中的 Tools→Enclosure 命令，在彈出的如【圖34】 所示的面板中作如下操作：

在 Shape 欄中選擇 Cylinder 選項，設(shè)置區(qū)域類型為圓柱；

在 Cylinder Alignment 欄中選擇 Z-Axis 選項，設(shè)置圓柱方向為沿著 Z 軸；

在 FD1，Cushion?欄中輸入 50；

在 FD2，Cushion?欄中輸入 500；

在 FD3，Cushion?欄中輸入 500；

在 Target Bodies 欄中選擇 Selected Bodies 選項；

在 Bodies 欄中選擇實體，此時 Bodies 欄中顯示 1，表示一個實體被選中，其余默認即

可，并單擊工具欄中 按鈕完成流體域的創(chuàng)建，如【圖35】所示。

 

Step6：平面命名 inlet。選擇幾何實體的左側(cè)（Z 坐標最小處）面，單擊右鍵，在彈出的如【圖36】所示快捷菜單中選擇 Named Selection 命令：

在出現(xiàn)的 Details View 面板中的 Named Selection 欄中輸入 inlet；

在 Geometry 欄中單擊 Apply 按鈕，此時 Geometry 欄中出現(xiàn) 1Face 字樣，表示一個面被選中；

其余保持默認，單擊工具欄中的 按鈕確定平面命名

 

Step7：平面命名 outlet。選擇幾何實體的左側(cè)（Z 坐標最大處）面，單擊右鍵，在彈出的如【圖37】 所示快捷菜單中選擇 Named Selection 命令：

在出現(xiàn)的 Details View 面板中的 Named Selection 欄中輸入 outlet；

在 Geometry 欄中單擊 Apply 按鈕，此時 Geometry 欄中出現(xiàn) 1Face 字樣，表示一個面被選中；

其余保持默認，單擊工具欄中的 按鈕確定平面命名

 

Step8：平面命名 outwall。選擇流固幾何交界面的流體三個側(cè)面，單擊右鍵，在彈出的如【圖38】所示快捷菜單中選擇 Named Selection 命令：

在出現(xiàn)的 Details View 面板中的 Named Selection 欄中輸入 outwall；

在 Geometry 欄中單擊 Apply 按鈕，此時 Geometry 欄中出現(xiàn) 1Face 字樣，表示一個面被選中；

其余保持默認，單擊工具欄中的 按鈕確定平面命名。

 

Step9：關(guān)閉 DesignModeler 平臺。

十一、傳遞數(shù)據(jù)

Step1：傳遞數(shù)據(jù)。右鍵 Workbench 平臺中項目 A 中的 A4（Solution），在彈出如【圖39】所示快捷菜單中選擇 Update 命令，更新數(shù)據(jù)。

 

十二、網(wǎng)格設(shè)置

Step1：雙擊項目 B 中的 B3（Mesh）選項，此時彈出如【圖40】 所示的網(wǎng)格剖分平臺。

Step2：右鍵單擊 Mesh 命名，在彈出的如【圖41】所示快捷菜單，在菜單中依次選擇

Insert→Sizing 命令，此時會出現(xiàn)“Details of‘Edge Sizing’”面板，在面板中可以進行網(wǎng)格尺寸設(shè)置。

 

Step3：在如【圖42】所示的“Details of‘Edge Sizing’”面板作如下操作：

在 Geometry 欄中確保圓柱體兩個圓邊被選中，此時 Geometry 欄中顯示 2Edges，表示供選擇了 2 條邊；

在 Type 欄中選擇 Number of Division 選項；

在 Number of Division 欄中輸入 100，將網(wǎng)格劃分成 100 份；

其余保持默認。

Step4：在如【圖43】所示的“Details of‘Edge Sizing 2’”面板作如下操作：

在 Geometry 欄中確保鋼塊和流體域中與鋼塊重合的所有邊被選中，此時 Geometry 欄中顯示 24Edges，表示供選擇了 24 條邊；

注：可以使用框選命令，具體使用方法請參考第二章節(jié)相關(guān)內(nèi)容。

在 Type 欄中選擇 Number of Division 選項；

在 Number of Division 欄中輸入 10，將網(wǎng)格劃分成 10 份；

其余保持默認。

 

Step5：右鍵單擊 Mesh 命令，彈出的如【圖44】所示的快捷菜單中依次選擇 Insert→Inflation 命令。

 

Step6：在 Geometry 欄中選擇流體幾何，在 Boundary 欄中選擇流體外表面如【圖 45】所示。

Step7：右鍵并單擊工具欄中的 生成網(wǎng)格如【圖46】所示。

 

Step8：網(wǎng)格設(shè)置完成后，關(guān)閉 Mechanical 網(wǎng)格劃分平臺，回到 Workbench 平臺。

Step9：在 Workbench 平臺中右鍵單擊項目 A 中的 A3（Mesh）命令，在彈出的如【圖 47】9所示的快捷菜單中選擇 Update 命令，更新網(wǎng)格劃分數(shù)據(jù)。

 

十三、進入 Fluent 平臺

Step1：Fluent 前處理操作。雙擊項目 A 中的 A4（Setup）命令，此時彈出如【圖48】所示的 Fluent 啟動設(shè)置對話框，保持對話框中的所有設(shè)置為默認即可，單擊 OK 按鈕。

Step2：此時出現(xiàn)如【圖49】所示 Fluent 設(shè)置界面。

Step3：單擊命令樹中的 General 命令，在操作面板中單擊 Check 按鈕，檢查最小體積是否出現(xiàn)負數(shù)。

Step4：選擇 Models 命令，在 Models 面板中雙擊 Viscous 命令，在彈出如【圖50】 所示 Viscous Models 對話框中選擇 K-epsilon（2eqn）命令，其余保持默認，并單擊 OK 按鈕確認模型選擇。

 

Step5：選擇 Models 命令，在 Models 面板中雙擊 Energy 命令，在彈出如【圖51】 所示Energy 對話框中勾選 Energy Equation 選項，并單擊 OK 按鈕確認選擇

 

十四、材料選擇

Step1：材料庫。單擊命令樹中的 Materials 命令，然后在 Materials 面板選擇 Solid，在

單擊 Create/Edit?按鈕，在彈出如【圖52】所示的 Create/Edit Materials 對話框選擇右側(cè)的

FLUENT Database?按鈕，在彈出的 FLUENT Database Materials 對話框中的 Material Type 欄中

選擇 Solid 選項，然后在左側(cè)的 FLUENT Solid Materials 欄中選擇 steel 選項并單擊 Copy 按鈕。

 

十五、設(shè)置幾何屬性

Step1：設(shè)置幾何屬性。選擇命令樹中的 Cell Zone Conditions 命令，在 Cell Zone Conditions面板中的 Zone 欄中選擇 box4 幾何名，然后將 Type 設(shè)置為 Solid，如【圖53】 所示。

Step2：在彈出如【圖54】所示的 Solid 對話框中作如下操作：

在 Materials 欄中選擇 steel，設(shè)置實體為 steel；

勾選 Source Terms 選項設(shè)置源；

單擊 Edit?按鈕，在彈出的 Energy sources 對話框中的 Number of 輸入 Energy sources欄中輸入 1，表示設(shè)置為 1 個熱源，并單擊 OK 按鈕。

 

Step3：在彈出如【圖 55】所示，設(shè)置 Solid 幾何體為 fluid，材料為 air，其余默認即可。

 

十六、流體邊界條件

Step1：單擊命令樹中的 Boundary 命令，在 Boundary Condition 面板的 Zone 中選擇 inlet

選項，在 Type 欄中選擇 velocity-inlet 選項。

Step2：設(shè)置入口速度。在彈出的如【圖56】 所示的 velocity-inlet 對話框中作如下設(shè)置：

在 velocity Magnitude（m/s）欄中輸入入口流速為 20m/s；

其余保持默認并單擊 OK 按鈕。

 

Step4：單擊命令樹中的 Boundary 命令，在 Boundary Condition 面板的 Zone 中選擇 wall-6選項，在 Type 欄中選擇 wall 選項，在彈出的 Thermal 選項卡中的 Material Name 欄中選擇

steel 并單擊 OK 按鈕，如【圖58】 所示。

 

Step5：導入熱源。如【圖 59】所示，單擊 File 菜單中的 EM Mapping→Volumetric Energy

Source?命令。

Step6：在彈出的如【圖60】所示的 Maxwell Mapping 對話框中單擊 OK 按鈕。

Step7：經(jīng)過一段時間的處理，在 Fluent 的 TUI 窗口中出現(xiàn)如【圖61】 所示的損耗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示總損耗為 221.7w，此數(shù)據(jù)與之前 Maxwell 中計算的得到的數(shù)據(jù)一致。

 

十七、求解器設(shè)置

Step1：選擇命令樹中的 Solution Initialization 命令，在如【圖62】所示的操作面板中作

如下操作：

在 Initialization Methods 欄中選擇 Standard Initialization 選項；

在 Compute from 欄中選擇 inlet 選項，其余默認即可，并單擊 Initialize 按鈕。

Step2：選擇命令樹中的 Run Solution 命令，在如【圖 63】 所示的操作面板中作如下操作：

在 Number of Iteratioins 欄中輸入 200，其余保存默認即可，單擊 Calculate 按鈕。

tep3：如【圖64】（a）所示為 Fluent 正在計算過程。

Step4：求解完成后會出現(xiàn)如【圖 64】（b）所示的對話框，單擊 OK 確認。

 

Step5：后處理操作。選擇命令樹中的 Results→Graphics and Animations，如【圖65】所示，在 Graphics and Animations 面板中的雙擊 Contours 選項。

Step6：在彈出的如【圖66】所示的 Contours 對話框中作如下操作：

在 Contours of 欄中選擇 Velocity?；

在 Surfaces 欄中單擊 按鈕，選擇所有邊界；

其余保持默認即可并單擊 Display 按鈕。

 

Step7：如【圖67】 所示為流速分布云圖

 

Step8：如【圖68】 所示為流速矢量云圖。

 

Step9：如【圖69】所示為溫度分布云圖。

 

Step10：關(guān)閉 Fluent 平臺。

十八、CFD—Post 后處理操作

Step1：如【圖70】 所示為 CFD-Post 專業(yè)后處理器平臺。

 

Step1：在工具欄中單擊 Location→Plane 命令，如【圖 71】所示，保持平面名稱默認，創(chuàng)建平面。

Step2：在出現(xiàn)的如【圖72】 所示的 Details of Plane1 面板中作如下設(shè)置：

在 Method 欄中選擇 ZX Plane；

在 Y 欄中輸入 0.0[m]，其余保持默認并單擊 Apply 按鈕。

Step3：此時創(chuàng)建如【圖73】所示的平面，在此平面中可以顯示流場溫度場分布等的后處理。

 

Step4：單擊工具欄中的 按鈕，在彈出的對話框中保持默認，單擊 OK。

Step5：在如【圖74】所示的 Details of Contour1 面板中作如下設(shè)置：

在 Locations 欄中選擇剛剛建立的 Plane 1；

在 Variable 欄中選擇 Temperature 選項；

在# of Contours 欄中輸入 110，其余默認并單擊 Apply 按鈕。

Step6：如【圖75】所示為共軛傳熱的實體與流場溫度分布云圖，從圖中可以看熱流耦合的溫度分布情況。

Step7：單擊工具欄中的 按鈕，在彈出的對話框中保持默認，單擊 OK。

Step8：在如【圖 76】所示的 Details of Streamline1 面板中作如下設(shè)置：

在 Start From 欄中選擇剛剛建立的 Plane 1；

在# of Points 欄中輸入 100，其余默認并單擊 Apply 按鈕。

Step9：如【圖77】所示為流速分布云圖。 

Step10：關(guān)閉 CFD-Post 平臺。

Step11：返回到 Workbench 窗口，單擊 按鈕保存文件，然后單擊 按鈕退出。

 

來源： CAE愛聯(lián)盟