共軛傳熱的案例
Simerics | 雙螺桿壓縮機流固共軛傳熱CFD分析
作為對比，在流固界面建立了絕熱壁面的流體模型，即不考慮流固共軛傳熱。在這種情況下，不同的曲軸角度下，界面溫度不斷的發生變化。
圖8為在不考慮流固共軛傳熱情況下，五種不同曲軸轉角下
（
分別為（a）24°；
（b）48°；（c）72°；（d）96°；（e）120°
）陽轉子的溫
度分布。
圖8 不考慮流固共軛傳熱溫度分布
瞬時溫度不再是由下至上分層漸變分布。相反，溫度在每個腔體中有相似的值。而且，溫度范圍也明顯更高。這意味著由于金屬較大的熱慣性，轉子表面溫度實際上比絕熱壁面假設的溫度更溫和、更均勻、呈層狀分布。
圖9為考慮流固傳熱情況下，5個曲軸角度下（分別為（a）24°；（b）48°；（c）72°；（d）96°；（e）120°）轉子的壓力云圖。
圖9 考慮流固共軛傳熱壓力分布
圖中彩色圖例范圍從1bar到2.5bar，洋紅色代表高壓，藍色代表低壓。每個流體壓縮腔中的壓力與預期值相似。當壓縮腔從入口移動到出口時，由于流體體積的逐漸減少，壓力增加。與溫度分布不同的是，轉子表面的壓力分布幾乎是均勻的。這意味著共軛傳熱對壓縮機性能的影響很小。
展開 雙螺桿壓縮機流固共軛傳熱CFD分析 附基于SCORG和Simerics MP 的CFD雙螺桿泵數值模
圖9 考慮流固共軛傳熱壓力分布:
(a) 24° (b) 48° (c) 72° (d) 96° (e) 120°
下表比較了有和沒有考慮共軛傳熱情況下氣體質量流量和轉子功率的差異：
可以看出，考慮和不考慮共軛傳熱相比，質量流量和轉子功率的預測誤差小于1%。與實驗結果相比較，兩種結果對流量的預測都高出約4-5%。這種誤差可能是由間隙尺寸的不準確性引起的。功率預測與實驗相差約1%?？梢钥闯?，對于該給定模型，流固耦合共軛傳熱對壓縮機性能的影響很小，因此不考慮耦合傳熱的模擬結果是可以接受的。
基于固體溫度模擬結果，利用Simerics-MP+ CFD軟件包中的應變-應力求解器對固體熱應力/膨脹進行了預測。上圖描繪了由于徑向熱膨脹引起的轉子固體位移。該彩色圖例范圍從0到50微米，洋紅色代表高位移，藍色代表低位移。徑向最大位移約為50微米。需要注意的是，本文中的熱膨脹是單向耦合預測。熱膨脹的結果沒有反饋到流體模型中。
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<p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202007/672cd980a92a4aab8f2d13ba2802fe03.gif" alt="image31.gif"></p><p>共軛傳熱常見于很多場景，如設計電子元器件的散熱器時，我們可以結合散熱器中的傳導和周圍流體中的對流來進行優化。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202007/2236dd0a05f4419ca40354f56246baaa.png" alt="adv-fluid-circuit-board.png"></p><p><strong>圖1- Abaqus電子產品散熱分析</strong></p><p>共軛傳熱綜合了固體和流體的傳熱，其中固體傳熱以傳導為主，流體傳熱則以對流為主。</p><p>固體傳熱：</p><div contenteditable="false" width="100%"><img src="https://img.jishulink.com/upload/202007/ddeb5e3ca36446f5a75c4293f7e95a86.png" title="latex.png" alt="latex.png" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202007/ddeb5e3ca36446f5a75c4293f7e95a86.png?
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積鼎CFD VirtualFlow 基于熱限制相變和流固耦合模型的冷板共軛傳熱相變仿真
以下是流固共軛換熱幾何模型，外部是固體域，內部為流體域。冷媒物性參數及輸入條件如下所示。
流固共軛換熱幾何模型
以下是關于固體熱源和相變的VirtualFlow設置。
04 計算結果
從圖中可以看出，液態冷媒從入口進入，隨著不斷被加熱溫度達到飽和溫度，液態冷媒開始發生相變，成為汽態冷媒，隨著繼續加熱，有的位置的溫度明顯升的較高，蒸汽的體積分數達到最大，如冷板上側離熱源最近，蒸汽的體積分數達到1.0，完全相變；而與其相對的另一側，蒸汽體積分數在0.5 左右，并沒有完全相變。
05 總結
1、在共軛傳熱相變模擬中，VirtualFLow開發了相應的模型，并在多個領域實現了應用和驗證，在國產軟件中實現了完全自主。
2、共軛傳熱幾何處理，商軟處理方式是，將固體域導入到前處理軟件，再提取流體域，再做共節點處理，最后劃分網格導入到求解器中。而VirtualFlow只需導入固體域，軟件會自動提取流體域，還能自動生成網格，大大節省了前處理時間。
3、VirtualFLow作為具備完全自主知識產權的國產軟件，可根據用戶需求進行深度二次開發。
通用計算流體力學軟件VirtualFlow，具備行業領先的網格建模與求解技術，和豐富的多相流物理模型及先進的相變模型，可模擬單相和多相/多組分物質流動、傳熱、界面追蹤、粒子追蹤、相變、水合物反應等復雜問題，可為工業各行業用戶提供專業級流體仿真解決方案。
展開 CFD|共軛傳熱
共軛傳熱Conjugate heat transfer
固體傳熱以傳導為主，流體傳熱則以對流為主，共軛傳熱綜合了固體傳熱和流體傳熱，同時包含固體和流體的一種耦合換熱現象。共軛傳熱在計算的時候，需準確計算材料之間通過的介質或接觸的熱傳遞。
本文介紹了midas NFX CFD共軛傳熱的計數原理及結合示例了解整個流程
傳熱分析與線性靜力分析的比較
結構傳熱分析與流熱耦合分析
需要研究，對象周圍的流體的分布及對周邊環境的影響，自然或強制冷卻需采取流固耦合分析。
當流體溫度可被簡化為均勻圍繞固體部件，研究僅在加熱條件下的結構組件的行為（對流，產生熱量，輻射）及由于熱負荷（熱應力分析).造成零件的應力和變形。
技術原理
均勻物質中的熱傳遞
熱傳遞控制方程可以從能量守恒定律中推導出來，即外部供應的能量，以及對流和傳導流出的能量量是恒定的。
傳導是物質的分子間相互作用導致熱擴散的現象，與溫度梯度成比例，稱為Fourier’s Law。也就是說，熱傳導傳遞的熱流速
（heat flux）
與溫度梯度成正比，微小區域的能量變化量如下所示：
??:熱傳導率
(thermal conductivity)
T
:溫度
對流是通過流體的運動傳遞能量的現象，是強制對流(forced convection)和自然對流（natural convection）。強制對流是指流體的運動是由外部運動量引起的，而自然對流是由溫度引起的密度差引起的流動。
展開 本田——為什么熱管理 CFD 需要全耦合共軛傳熱仿真
如果沒有同時捕獲共軛傳熱效應的耦合 CFD 仿真，則絕對無法對發動機和排氣系統中的熱相互作用進行準確建模。
圖 5a：發動機表面溫度
圖 5b：發動機周圍的水平剖切面
如圖 6 和圖 7 所示，較大的溫差會導致強烈的輻射傳熱。要在此處實現準確的熱預測，需要將共軛傳熱與輻射模型直接耦合。
圖 6：排氣管的溫度
圖 7：排氣系統的靜態溫度和車身底部的流動結構
FLUENT中進行共軛傳熱計算
共軛傳熱：流體傳熱與固體傳熱相互耦合。由于流體求解器同時具備流體與固體傳熱計算的能力，因此可以直接采用流體求解器進行求解，無需使用流固耦合計算。流體求解器能夠求解流體對流、傳導、輻射傳熱，對于固體傳熱計算，只能求解熱傳導方程。
本例演示共軛傳熱問題在FLUENT中的求解方法。
1、問題描述
如圖1所示的計算區域，既包含流體區域也包含固體區域。在初始狀態下，流體域與固體與溫度均為293K，然后給固體域底部施加恒定溫度434K，計算分析計算域內溫度隨時間分布規律。邊界條件如圖中所示。
圖1計算域描述
2、建立幾何模型并劃分網格
利用DM建立如圖1所示2D平面幾何。采用全四邊形網格劃分，如圖2所示。
為所有邊界命名，尤其是流體和固體區域交界面，后面需要在求解器中進行設置。
3、進入Fluent求解設置
本例為瞬態計算。
涉及到熱量傳遞，因此需要激活能量方程。
流體介質為理想氣體，考慮其在溫度影響下密度變化。
考慮重力影響，設置重力加速度向量[0,-9.81,0]，設置操作密度為0。如圖3所示。
壓力-速度耦合方程采用PISO求解方式，對流項計算采用QUICK算法，其他項采用二階迎風格式。
圖2網格模型
圖3 操作項設置面板
設置流體域介質為air，固體域介質為默認的AL。
按圖1所示邊界條件設置計算域邊界。
創建交界面，如圖4所示進行設置。
圖4 設置交界面
4、初始化計算
設置初始化溫度293K，如圖5所示。
圖5初始化面板
設置自動保存選項與動畫錄制項。
設置時間步長0.1s，時間步數100，內迭代次數20。
進行求解計算即可。
展開 【資料】FLUENT官方教程：共軛傳熱
FLUENT共軛傳熱.pdf
FLUENT模擬流-固耦合散熱.part1.rar
FLUENT模擬流-固耦合散熱.part2.rar
abaqus流固共軛傳熱算例分享 ￥40
電子元件的空氣散熱為流固共軛傳熱問題。利用abaqus可以模擬這一過程。分別建立空氣流體與固體元件模型，然后聯合求解?？梢郧逦氐玫搅黧w溫度場、壓力場、速度場及固體溫度場變化。附件為cae及inp
雙螺桿壓縮機CFD模擬，這樣做才專業！
固體受熱膨脹會導致金屬部件發生過度磨損，從而造成泄露間隙的改變，進而對產品的性能產生影響，為了準確預測壓縮機的熱力學特性，兼顧產品研發周期和經濟性，通常采用CFD技術對壓縮機的流固共軛傳熱（CHT）問題進行研究。但是，由于固體的傳熱速度要比壓縮氣體的慢得多，如果利用CFD技術直接對固體結構和氣體介質進行耦合傳熱模擬，可能需要計算足夠多的壓縮機旋轉數后才能得到一個穩定的CHT解，那么模擬的運行時間可能就變得不切實際。因此，尋求一種先進的方法解決流固共軛傳熱問題迫在眉睫。
2 難點分析
目前，利用CFD技術進行螺桿壓縮機流固共軛傳熱分析存在以下問題：
間隙設計是螺桿壓縮機中的重要問題，間隙必須足夠小以提高容積效率，同時又必須有足夠的間隙來防止轉子干涉。
展開 
FLUENT流-固-熱耦合分析
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。
展開 安世亞太自主通用流體仿真系統PERA.SIM Fluid亮點搶先看
PERA.SIM Fluid采用計算流體動力學（CFD）數值模擬技術，包含能夠精確模擬日常遇到的各種工程流動問題的求解器，提供可壓計算、不可壓計算、傳熱計算及多相流計算能力。
PERA.SIM Fluid具有完備的入口、出口、壁面條件，支持完整的計算格式及求解設置，內置強大穩健的各類矩陣求解器。PERA.SIM Fluid具有豐富的湍流模型，提供壓力基及密度基求解器，支持可壓/不可壓計算、瞬態/穩態計算、多區域/介質/共軛傳熱與輻射/浮力模型計算。
PERA.SIM Fluid進行某型導彈氣動計算
功能特色
（1）完備的入口、出口、壁面條件
針對入口、出口邊界，PERA.SIM Fluid支持各類不可壓/可壓、湍流、傳熱和浮力模型下的邊界設置，支持各坐標系/各種情況下的壓力，速度，流量輸入。
PERA.SIM Fluid支持各類流動、湍流、傳熱和運動、滑移情況下的壁面相關功能與設置輸入。
（2）完整的計算格式及求解設置
PERA.SIM Fluid支持多種離散格式，包含時間項格式、對流項格式、梯度格式、限制器格式和壓力或密度插值格式等。支持多類求解算法設置，包括算法殘差、松弛因子、初場初始化和求解時間步長設定方法等。
（3）內置強大穩健的各類矩陣求解器
PERA.SIM Fluid提供各類主流經典的適合有限體積法的矩陣求解器，包括對角求解器、代數多重網格求解器、預條件雙共軛梯度求解器、預條件雙共軛梯度穩定求解器、預條件共軛梯度求解器和光滑求解器等。
展開 如何計算流體仿真中的質量與能量守恒
對于共軛傳熱分析，即傳熱方程與
納維-斯托克斯方程
和連續性方程一起求解時，以下總能量通量成為守恒量。
式中，
是總內能。
總能量通量包括對流、傳導和輻射熱通量。它包含了代表對流動能的附加項
，以及對流應力能
。能量平衡方程的形式如下：
在穩態研究中，這個表達式簡化為
對于這個方程的每個量，都有一個預定義的全局變量可供后處理。得出的全局計算值可用于計算變量。下表總結了不同的相關預定義變量的名稱。
因此，使用 COMSOL Multiphysics 中的預定義變量編寫的能量守衡方程為：
使用派生的全局計算值來計算預設變量的能量率。
在穩定狀態下，總的累積能率消失了?？們裟苈屎涂偀嵩幢仨毱胶狻７€態研究的結果顯示如下。相對誤差又遠遠小于相對求解器的容差。
穩態分析的能量守衡。總凈能率和總熱源必須平衡。
下面是瞬態分析的能率圖。總凈能率逐漸增加，最終達到穩態值，這平衡了散熱器上施加的通量 1W。另一方面，總累積能率最初平衡了總的熱源，一旦達到穩定狀態就會消失。此外，粉紅色的線表示能量平衡的絕對誤差
也就是說，在最好的情況下，它應該是零。結果顯示出良好的一致性。
能率與時間的關系。
結語
這篇文章，我們討論了穩態以及瞬態共軛傳熱問題的質量和能量守恒理論。還研究了如何用 COMSOL Multiphysics 計算能量和質量守衡，來檢查仿真結果的準確性。為此，我們介紹了一些有用的派生值功能。預定義的能率變量很容易使用，可以避免自己手動進行能率表達式的計算。
我們使用了一個特定的例子來演示文中所涉及的主題，但所演示的方法可以擴展到任何共軛傳熱問題。
展開 ANSYS Fluent 2020 R1新功能 電池仿真相關部分
通用使用FMI接口，可實現fluent與第三 方軟件間的聯合仿真，如simulink, matlab, cosmol；前提是第三方軟件可將相應模型導出為FMI2.0格式的FMU文件，如上圖，以共軛傳熱為例，將第三方 FMU導入，實時將電池總熱功率導入到 fluent中作為源項，進行共軛傳熱計算。
公眾號：新能源汽車熱管理仿真技術，關注回復“1”，可領取更多熱管理方面資料。
同時本人也在技術鄰平臺更新新能源動力電池熱管理仿真和設計課程如下
1、 基于starccm+在動力電池熱管理仿真技術應用、
2、新能源汽車PACK熱流體仿真進階20講
3、新能源動力電池熱管理設計入門到進階23講
4、 Hypermesh網格劃分-精講進階視頻教程
5、有限元分析ANSA19.0視頻教程零基礎入門到精通50講
6、Hypermesh軟件CAE流體網格劃分CFD前處理
展開 