融化凝固的案例
三十八、Fluent融化凝固模型參數設置依據
融化凝固模型概述</strong></p><p> </p><p><strong>1.1 模型原理</strong></p><p><br></p><p>我們在Chapter37分享了Fluent融化凝固模型案例，前文只是介紹了Fluent中的操作過程。</p><p><br></p><p> <img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/8tJMdLVYZy9PS7YGOK13P6cCoOib5JlHsGwpjGvJP9dDgAQdS0MkdsVjgSZayYaLnwsiaWwicFibfEPh0Ud7Rhf2Cw/640?wx_fmt=jpeg" width="100%"> </p><p><br></p><p>不知道大家會不會覺得很奇怪，Fluent模擬融化和凝固，那必然涉及到相變，既然有相變，那就應該存在多相流（固和液），但是我們卻沒有打開多相流模型？？那如何模擬融化過程？？</p><p><br></p><p><br></p><p>Fluent通過多孔介質的方式來間接模擬固體和液體的區別。當孔隙率設置為0，那就不存在流動現象，就相當于固態；而融化區域需要流動則設置一定的孔隙率，使液體融化流動現象較全液態有所區別。</p><p><br></p><p><br></p><p>本質上，與多孔介質模型類似，通過添加動量源項的形式，對流動進行限制，從而達到融化和凝固現象的模擬</p><p> <img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/8tJMdLVYZy9PS7YGOK13P6cCoOib5JlHsC7zJsGK6RC6xgdqzpoNdCsRjcocdHUuu9RcKgKdCXr3wJIWHCCs4Ag/640?
展開 [案例分析]STARCCM+入門系列之——融化凝固
1、問題描述
本案例演示本教程演示如何在STAR-CCM+ 中設置融化和凝固分析，其中模擬了水在管道中的凍結情形。模型如下：
2、軟件設置
（1）選擇物理模型；使用 K-Epsilon 湍流模型和分離流求解器來求解瞬態雷諾平均納維－斯托克斯方程。在激活流體域體積(VOF) 模型后，才可將融化和凝固選項用于歐拉相。物理模型的選擇如下：
（2）定義用于融化-凝固模型的液相；在連續體continuum中，右鍵單擊Models > EulerianMultiphase > Eulerian Phases 節點，創建新相，把新相命名為H2O，在H2O節點選擇流體和恒密度，融化-凝固模型。
將固相體積分數閾值設置為高于液相中使流體停止的值。在Eulerian Phases > H2O >Models節點，流體停止相對固體分數設置為0.999，亞松弛因子設置為0.1。
（3）設置初始條件；場函數將初始壓力場設置為線性分布：此分布接近期望的求解。用這種方式設置初始壓力可減少獲得求解所需的時間。指定入口和出口處的壓力分布以正確定義線性壓力場。創建進口壓力，出口壓力場函數。
（4）設置邊界條件；流體域的邊界條件設置類型如下：
先設置入口邊界條件。入口溫度是273.1 K，體積分數是 1.0。在反向流的情況下，則從壓力出口的指定壓力中扣除動態壓力以及因湍流造成的應力。因此，將入口壓力分布指定為：1+動壓；如入口壓力場函數中所指定。此設置的目的是，確保在水流入管道時靜態入口壓力實際始終為1.0 Pa。
出口壓力設置為環境壓力，即0 Pa 表壓。不過，上一節已為出口壓力定義了一個場函數，在此處再次使用。這種方法的優點是：如果必須更改整個域的壓力分布，僅在一個位置更改出口壓力即可，而不是兩個位置。
展開 Fluent 凝固融化/多相流 車用尿素在寒冷環境下加熱分析 ￥20
尿素液在寒冷環境中會凍結，在汽車啟動時，用冷卻液對其進行加熱，融化后的尿素液才可以起到作用。下面將用一個簡單模型說明如何分析尿素液的融化過程，對設計熱管的排布和計算融化時間有指導作用。
下圖中，紅色的為熱管（冷卻液管），灰色為100*100mm的一個水箱。尿素液冷凍后的液面位置為80mm處。
在環境溫度為-50℃下，冷卻液管固定溫度50℃，觀察1000s后尿素的融化過程。
由于使用這個案例來熟悉如何設置多相流和融化凝固模型，所以將問題簡化為一個2D模型。如下圖的一個截面作為計算域。
最終的計算結果如下：
圖1. 尿素的體積分數，不管過多久，尿素的體積分數在80mm下都為1.
圖2. 溫度分布，尿素的融化溫度為262K
圖3， 速度分布，上部的速度分布是空氣的，下部的是融化的尿素的
圖4. 融化過程，200s, 500s, 1000s 后的流體體積分數。紅色部分為流體
展開 三十七、Fluent冰塊融化模擬
wx_fmt=jpeg" width="644" style=""> </p><p><strong>4.3 融化凝固模型</strong></p><p><br></p><p>下圖為融化凝固模型的界面，相較于蒸發冷凝模型，非常簡單，但是理解起來很有意思。</p><p><br></p><p> <img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/8tJMdLVYZyicGpcjP876VAVeBy8qbYEXlB3UTJF2LIGJxicvTG90cIKAkcN3zCDCOZpMj5mph3icTzLF1NJYmRPSQ/640?wx_fmt=jpeg" width="850" style=""> </p><p><span style="color: rgb(255, 129, 36);">主要參數：Mushy Zone Constant糊狀區常數Amush</span></p><p><br></p><p><span style="color: rgb(255, 129, 36);">糊狀區常數Amush表示融化過程流動阻力的大小；該值越高，融化或凝固時速度梯度越大。較大的值可能會導致發散。對于大多數計算，建議值介于10000和10000000之間。Amush就是動量源項的一個系數。</span></p><p><br></p><p>關于融化凝固理論問題，內容較多，下一章會詳細講述。</p><p><br></p><p>如果使用了組分輸運模型，那么融化凝固模型的界面如下。
展開 
[問題討論]Fluent的基于密度和基于壓力求解方法淺析
2VOF模型
3多相混合模型
4歐拉多相流模型
5非預混燃燒模型
6預混燃燒模型
7部分預混燃燒模型
8組成PDF運輸模式
9煤煙模型
10羅斯藍底輻射模型
11融化凝固模型
12外殼傳導模型
13浮動操作壓力
14多孔介質的物理速度模型
15指定周期性流動流向的質量流率
專門應用于基于密度方法的情況
1真實的氣體模型（用戶自定義）
2非反射邊界條件
3濕蒸汽的多相流模型
本文轉自網絡，感謝原作者。
對文章中具體內容感興趣或者對使用CATIA幾何建模，ANSYS ICEM網格生成，Pointwise軟件使用方法，ANSYS Fluent軟件，CFD++軟件，STARCCM軟件及開源軟件SU2軟件感興趣的讀者可以關注技術鄰賬號：Oler或添加作者QQ3116264744。
展開 ANSYS Mechanical在焊接仿真中的應用
ANSYS Mechanical在焊接仿真中的應用
王建
[ 摘 要 ] 焊接作為一個牽涉到電弧物理、傳熱、冶金和力學等各學科的復雜過程，其涉及到的傳熱過程、金屬的融化和凝固、冷卻時的相變、焊接應力和變形等是企業制造部門和設計人員關心的重點問題，采用傳統的經驗方式對于厚鋼板的焊接等特殊工藝無法進行合理的工藝設計，因此本文針對焊接數值模擬的基本理論進行了闡述，同時對于焊接仿真與ANSYS軟件的結合提出了建議，并結合實際情況詳細介紹了ANSYS軟件進行焊接仿真的具體應用技巧，通過采用仿真方式進行模擬，對傳熱過程、焊后應力場進行模擬，用來幫助確定焊接時結構和材料的最佳設計、工藝方法和焊接參數等。
[ 關鍵詞 ] 熱源模型 熱彈塑性有限元法 生死單元 ANSYS
1 前言
焊接作為現代制造業必不可少的工藝，在材料加工領域一直占有重要地位。焊接是一個涉及到電弧物理、傳熱、冶金和力學等各學科的復雜過程，其涉及到的傳熱過程、金屬的融化和凝固、冷卻時的相變、焊接應力和變形等是企業制造部門和設計人員關心的重點問題。焊接過程中產生的焊接應力和變形，不僅影響焊接結構的制造過程，而且還影響焊接結構的使用性能。這些缺陷的產生主要是焊接時不合理的熱過程引起的。由于高能量的集中的瞬時熱輸入，在焊接過程中和焊后將產生相當大的殘余應力和變形，影響結構的加工精度和尺寸的穩定性。因此對于焊接溫度場合應力場的定量分析、預測有重要意義。
傳統的焊接溫度場和應力測試依賴于設計人員的經驗或基于統計基礎的半經驗公式，但此類方法帶有明顯的局限性，對于新工藝無法做到前瞻性的預測，從而導致實驗成本急劇增加，因此針對焊接采用數值模擬的方式體現出了巨大優勢。
ANSYS作為世界知名的通用結構分析軟件，提供了完整的分析功能，完備的材料本構關系，為焊接仿真提供了技術保障。
展開 基于STAR-CCM+汽車除霜系統CFD仿真分析與優化
當熱氣流將熱量通過玻璃的內側傳導到玻璃外側的霜層，霜層溫度持續升高，當到達冰霜融點時，霜層就會開始融化并直到消失。融化/凝固問題的能量方程為[1][2][3]:
融化/凝固問題的動量方程為：
式中，φ表示為對應坐標方向上的速度分量。
霜層初始能量的計算公式：
1.2 除霜分析流程及計算模型
1.2 除霜分析流程及計算模型
CFD分析流程如圖2所示，分析過程中首先對幾何模型進行處理，并生成計算網格，之后設置物理模型、邊界條件進行穩態流場分析計算。當結果不能滿足目標要求時，需要對內部流場進行分析，查找問題點，提出修改建議，進行優化計算，直至達到目標要求。針對優化后的除霜模型進行瞬態計算，瞬態結果驗證優化后的除霜效果，如果仍不理想，調整相應邊界條件，直至滿足性能要求。
圖2 CFD除霜性能分析流程
基于HVAC模型、擋風玻璃、除霜格柵、風道及乘員艙內飾數模，采用Hypermesh軟件處理面網格，建模過程中簡化了乘員艙模型，未包含假人等模型。再將面網格導入STAR-CCM+中，檢查是否封閉，按照尺寸設置生成體網格，并設置邊界條件，進行空調系統除霜性能分析計算，如圖3所示。
圖3 空調及除霜風道模型
計算邊界條件如表1所示。
表1 蒸發器與暖風芯體邊界
除霜模式下，HVAC入口流量采用最大吹風量，葉輪轉速為4 908 rmp,出口壓力為1個標準大氣壓，環境溫度采用-18℃。過濾器、蒸發器和暖風芯體均設為多孔介質模型。模型分玻璃域和流體域以及冰層域，壁面均為無滑移邊界條件，風道設置四層邊界層，穩態計算時，常溫不可壓縮流動，標準k-e湍流模型。瞬態計算中，入口溫度采用溫升實驗數據，冰層溫度大于0℃，則認為冰已融化。
展開 電池熱管理系統散熱結構的設計和仿真
由于相變材料的性質比較穩定，忽略相變材料在融化和凝固時的各種變化。本文利用仿真軟件ANSYS FLUENT16．0 進行模擬。
通常情況下，考慮電池處于絕熱環境中時，電池在放電過程中的產熱率Q( 單位: W) 可通過下式計算得出:
電池在放電的同時也會吸收一定的熱量，這部分熱量
相變材料吸收的熱量
在組合模型電池熱管理系統中，冷卻水帶走的熱量
空氣會產生一定的自然對流，電池產生的一部分熱量會被空氣帶走。這部分熱量
與電池、相變材料和水吸收的電池熱量相比，鋁板在導熱過程中由于吸收部分熱量導致自身溫度升高的這部分熱量可以忽略不計。
結果分析
鋁板厚度和水管數量的影響
1) 鋁板厚度的影響研究鋁板厚度dAl的影響時，相變材料的導熱系數kPCM、冷卻水的質量流量q×103 kg /s、進水溫度TW以及相變溫度TPCM等參數設置如表2 所示。圖2 為不同鋁板厚度時電池的溫度分布情況。鋁板厚度增厚時，電池的最高溫度和最大溫差都逐漸降低，并且最大溫差可以控制在2℃以
內。可以看出，加入鋁板后的新型模型，有利于控制電池的溫度有效性和均勻性，并且散熱過程更加穩定。為了工藝的簡便和節約材料，選取0.4mm 鋁板厚度為較優值。
2) 水管數量的影響
研究水管數量n 時，參數的選擇見表3。圖3 是n 個不同時電池的溫度分布情況。當n 增加時，電池的最高溫度逐漸降低，最大溫差卻逐漸增大。當水管數量分別是2、4、6、8 時，電池的最大溫差同樣能控制在3℃以下。可以看
出，水管的加入，在不破壞電池溫度均勻性的前提下，還能合理地控制電池的最高溫度。為了得到理想的溫度，同時減少熱管理系統的負載，選取4 根水管為較優值。
展開 劉錦川院士又發《Science》！另辟蹊徑，實現3D打印超級鈦合金
增材制造過程中所固有的金屬粉末快速融化和凝固過程，以及超快的冷卻速度，為研究人員提供了這樣一種有效調控成分波動的手段。基于這種全新的思路，研究人員嘗試在3D打印過程中采用兩種常見合金粉末（Ti64和316L不銹鋼）進行混合打印。通過精心選擇的粉末種類，以及特殊的打印參數，在Ti-6Al-4V基礎合金中，成功實現了以Fe元素為主的微米級成分梯度。研究表明，打印完成狀態的合金并不是兩種原始合金的簡單混合，也即合金中并不存在純粹的Ti64合金或者316不銹鋼區域。與此相反，在兩種粉末的融化、混合過程中，所有合金元素都進行了有效的擴散和融合。不銹鋼中的Fe、Cr、Ni、Mo等元素完全溶解在Ti64合金基體中，實現了原位合金化。更重要的是，經過特殊選擇的打印參數可以有效控制Fe、Cr等元素的濃度梯度和空間分布。這是一種前所未有的成分梯度組織。
這種微米級成分梯度帶來了三個有利影響。其一，合金元素濃度在空間上的調制帶來了相穩定性以及微觀組織在空間上的調制，從而形成了α’馬氏體和亞穩定β母相在三維空間中的周期性分布，并形成了熔巖狀的獨特微觀組織。其二，微米尺度上彌散且周期性分布的馬氏體-亞穩態母相的特殊雙相組織有效地提高了鈦合金的力學性能。相比于傳統增材制造鈦合金而言，具有微米級成分梯度的鈦合金一方面在拉伸過程中，亞穩定β相發生明顯的應力誘發馬氏體行為和相變誘導塑性，從而極大地改善了增材制造鈦合金的均勻變形和加工硬化能力，均勻延伸率提高了一倍以上；另一方面，高度彌散分布的超細馬氏體組織有效地維持了材料的高屈服強度（~1GPa），避免了傳統TRIP鈦合金低屈服強度情況的出現；其三，Fe、Cr等元素的添加對于增材制造鈦合金的晶粒細化起到了明顯的作用。這些合金化元素可以有效提升鈦合金凝固過程中的成分過冷能力，阻止了常規粗大柱狀晶的形成。
展開 FLUENT軟件簡介~
另外用戶還可以定制或添加自己的湍流模型；
☆ 適用于牛頓流體、非牛頓流體；
☆ 含有強制/自然/混合對流的熱傳導，固體/流體的熱傳導、輻射；
☆ 化學組份的混合/反應；
☆ 自由表面流模型，歐拉多相流模型，混合多相流模型，顆粒相模型，空穴兩相流模型，濕蒸汽模型；
☆ 融化溶化/凝固；蒸發/冷凝相變模型；
☆ 離散相的拉格朗日跟蹤計算；
☆ 非均質滲透性、慣性阻抗、固體熱傳導，多孔介質模型（考慮多孔介質壓力突變）；
☆ 風扇，散熱器，以熱交換器為對象的集中參數模型；
☆ 慣性或非慣性坐標系，復數基準坐標系及滑移網格；
☆ 動靜翼相互作用模型化后的接續界面；
☆ 基于精細流場解算的預測流體噪聲的聲學模型；
☆ 質量、動量、熱、化學組份的體積源項；
☆ 豐富的物性參數的數據庫；
☆ 磁流體模塊主要模擬電磁場和導電流體之間的相互作用問題；
☆ 連續纖維模塊主要模擬纖維和氣體流動之間的動量、質量以及熱的交換問題；
☆ 高效率的并行計算功能，提供多種自動/手動分區算法；內置MPI并行機制大幅度提高并行效率。另外，FLUENT特有動態負載平衡功能，確保全局高效并行計算；
☆ FLUENT軟件提供了友好的用戶界面，并為用戶提供了二次開發接口（UDF）；
☆ FLUENT軟件采用C/C++語言編寫，從而大大提高了對計算機內存的利用率。
展開 2025大賽優秀作品 | 兩相散熱器結冰鼓脹失效機理的仿真研究
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</figure><p><br></p><p class="ql-align-justify"><strong>作品名稱：兩相散熱器結冰鼓脹失效機理的仿真研究</strong></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p class="ql-align-justify"><strong>作者：談周妥 | 中興通訊股份有限公司 熱設計工程師</strong></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p class="ql-align-justify"><strong><em>關鍵詞：</em></strong><em>均熱板，Ansys Fluent，結冰鼓脹，可靠性</em></p><p><br></p><p><strong>作者說：</strong></p><p><br></p><p>Ansys Fluent 提供的先進的融化-凝固模型及用戶自定義函數可幫助我精準模擬水工質在低溫下的固-液兩相轉換過程。Fluent Meshing的多面體-六面體混合網格技術可在熱管毛細結構等微尺度區域生成高質量網格。以上解決方案為兩相散熱器的可靠性設計提供了不可替代的仿真支撐。
展開 
劉錦川院士團隊《APM》綜述：基于增材制造的先進鈦合金設計！
另一方面，增材制造過程中所固有的金屬粉末快速融化和凝固過程，以及超快的冷卻速度，更為研究人員提供了這樣一種有效調控成分波動的手段，從而形成多尺度的異構組織，并實現性能優化。因此，由于增材制造的熱環境、凝固過程、相變機制等與傳統的鑄造或鍛造工藝完全不同，只有綜合考慮合金設計和增材制造的獨特特性，才能協同推進新材料和加工技術的共同進步。
結論
本文系統回顧了先進鈦基合金增材制造的最新進展。基于合金選擇和設計的角度，對增材制造工藝與合金成分之間的相互作用進行了仔細研究和討論。雖然增材制造技術對制造無缺陷、各向同性和均質的金屬零件提出了巨大挑戰，但增材制造工藝的非平衡特點實際上有助于實現一些前所未有的微觀組織、相組成和成分結構等。本文的目的是提出合金設計和工藝協同進步的新視角。與僅將增材制造視為生產近凈成形部件的成形技術不同，我們將增材制造視為一種不可替代的材料處理和設計方法。將合金成分組織設計與增材制造特點相結合，可以極大地促進在3D打印時代設計具有可控微觀結構和性能的先進結構材料。
展開 CFD流體仿真技術在石油石化領域的應用及實踐（上篇）
/凝固
? 傳質和閃蒸
流量保證-段塞流動畫
三維瞬態多相
跨接管道
Ansys跨接管道模擬
挑戰：
? 跨接管道在石油運輸中至關重要
? 帶有脈動形式的多相流
? 海底中流致振動 (FIV) 和渦流誘導的振動（VIV）
? 由于疲勞和共振造成的故障
Ansys解決方案：
? CFD求解器中豐富的多相流模型
? 模態和結構求解器
? 強大的流固耦合功能
? 能夠幫助預測 FIV, VIV, 分析疲勞和工資造成的故障
流體保證（熱的影響）
沖蝕
針對沙/顆粒輸運造成的沖蝕，Ansys提供的獨特的解決方案
挑戰：
? 油氣井出沙是很常見的，能引起管道沖蝕、堵塞等問題
展開 Fluent能夠做的事
fluent還提供了離散型模型，用于模擬顆粒的流動，主要有DPM模型（稀疏的顆粒流動）、DDPM模型（稠密的顆粒流動）、PBM模型（使用歐拉方法求解顆粒流動）
傳質問題，fluent可以使用不同的方法模擬蒸發、冷凝、凝固、融化，自帶的求解器也能夠解決這樣的問題。
同時fluent組分輸運模型可以用來模擬化學反應，主要用于模擬燃燒過程
fluent能夠求解電勢方程，模擬電鍍、腐蝕、流體電池等問題，還可以模擬靜電除塵問題。
fluent還能夠進行氣動噪聲模擬，主要方法有聲比擬模型、CAA直接模擬、寬頻噪聲模型等
fluent還可以通過動網格來模擬旋轉機械，如齒輪旋轉，扇葉旋轉，閥門擺動、活塞運動等問題
實際上fluent能夠做的事情要比上面講的多的多，fluent提供了UDF（用戶自定義函數）功能和UDS（用戶自定義標量）功能，可以借助這些功能，直接求解偏微分方程。
展開 專業團隊代做CAE、CFD、ANSYS、Fluent、ABAQUS、ADAMS仿真代做，仿真分析代做
2、FLUENT：導熱、流體流動與傳熱、自然對流與輻射換熱、凝固與融化、多相流、離散相、組分傳輸、氣體燃燒、多孔分析、UDF、飛行器氣動設計、流體結構單向耦合、流體結構雙向耦合、流固耦合、電磁熱耦合等。
3、ABAQUS：結構、土木、非線性分析、靜力學分析、動力學分析、模態分析、隨機震動分析、響應譜分析、諧響應分析、屈曲分析、瞬態動力學分析、顯示動力學分析、接觸分析、復合材料分析、疲勞分析、壓電分析、傳熱分析、電磁場分析、非線性分析、聲學分析、電磁振動噪音、子程序、二次開發等。
4、nCode Designlife：應力疲勞、應變疲勞、振動疲勞。
5、Ansoft：電機、電磁分析等。
6、ADAMS：多體動力學分析等。
7、LS-DYNA：進行各種顯式動力學、碰撞、墜撞、流固耦合等。
8、Isight：集成各類軟件進行優化分析。
9、 MATLAB：于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等。
10、 ProE、 CATIA、UG、Solidworks、Geomagic、Imageware、:產品設計、三維建模、抄數、逆向、模型修復、三維轉二維、二維轉三維等。
11、ICEM、Gambit/hymermesh：網絡劃分
12、其他軟件：Icepak、Star-ccm+、Nastran、Phoenics、Deform等
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