熱流分析的案例
直播課程 | Cradle CFD 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格熱流分析基礎(chǔ)培訓(xùn)（2天）
Cradle CFD提供了兩種不同類型的熱流分析工具：采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的scSTREAM和HeatDesigner，以及采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的SC/Tetra 和 scFLOW。scFLOW前身的SC/Tetra具有復(fù)雜網(wǎng)格生成功能， 高速計算能力， 且操作界面友好。作為升級版， 發(fā)行了scFLOW。scFLOW具有更加穩(wěn)定的求解器，計算速度最多可以提升3倍。其前處理可以幫助入門級用戶建立復(fù)雜的模型以及生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。
1 培訓(xùn)內(nèi)容
scFLOW作為新一代的軟件，持續(xù)發(fā)展更新。此次培訓(xùn)強調(diào)理論和軟件操作相結(jié)合，案例豐富多樣，包含內(nèi)/外單相流分析、穩(wěn)態(tài)/非穩(wěn)態(tài)分析、旋轉(zhuǎn)機械全三維流場分析、船舶兩相流分析、電子產(chǎn)品熱流分析等。
展開 Cradle CFD—專業(yè)熱流場分析工具
產(chǎn)品介紹
??產(chǎn)品組成
Cradle共包含5個軟件包和1個通用的后處理模塊：
scSTREAM和HeatDesigner是基于笛卡爾網(wǎng)格（像素網(wǎng)格）的CFD軟件，前者是通用的熱流體分析系統(tǒng)，求解模型更豐富，包括多相流、燃燒、非牛頓流體等，后者主要應(yīng)用在電力電子行業(yè)，擁有大量電子元件模型可供使用，兩者均可用于大規(guī)模復(fù)雜模型的分析
SC/Tetra和scFLOW是基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的CFD軟件，前者主要通過劃分四面體、五面體和六面體網(wǎng)格進行離散求解，后者通過劃分多面體網(wǎng)格來進行離散求解，主要應(yīng)用在汽車領(lǐng)域及其他通用設(shè)備領(lǐng)域，兩者均支持高精度模型的求解分析
PICLS可進行PCB板級熱流分析，實現(xiàn)PCB級熱設(shè)計，具備實時仿真能力
通用的后處理模塊scPOST，支持上述軟件的仿真結(jié)果直接導(dǎo)入，能夠根據(jù)客戶需要快速地進行結(jié)果可視化，包括部件溫度云圖顯示、截面熱流數(shù)據(jù)顯示、流跡線顯示以及部件熱路徑考察，快速定位熱阻分布，實現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計
??典型應(yīng)用
電池包冷卻系統(tǒng)分析
導(dǎo)入帶有水冷板以及通風(fēng)道等回路的電池包數(shù)模，進行冷卻系統(tǒng)內(nèi)的熱流求解，計算出系統(tǒng)內(nèi)溫度和壓力的分布，指導(dǎo)流量分布和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等工作，同時可與一維仿真工具進行耦合分析，通過系統(tǒng)仿真獲取三維熱流分析所需要的邊界輸入，例如進口流量、出口壓力等，較精確地對電池包冷卻性能進行分析。同時還可與控制模型進行耦合，多工況地分析冷卻系統(tǒng)的響應(yīng)和效率。
電機散熱分析
電機行業(yè)迎來了一次高速發(fā)展時期，電機本身朝著體積小、功率密度高、效率高、噪聲低、成本低、可靠性高等高性能方向發(fā)展。為滿足上述要求并保持電機處于適宜工作溫度，溫升設(shè)計已成為四大電機設(shè)計指標(biāo)之一。
展開 用在投影機之CFD熱流仿真與分析軟件介紹
以筆者使用過的三種仿真分析軟件為例：Flowtherm，I-Deas，StarCD，其各有特色，在業(yè)界則以Flowtherm使用者較多，而-deas由于具有可以處理熱輻射的TMG模塊，近年來在投影機廠商中使用的比例也愈來愈多。
另外，Icepak是近年來另一個興起的熱門軟件，因為筆者未用過，因此，在此不做評論。
其實可以作為熱流仿真與分析的軟件很多，但是在工業(yè)界使用時，其實最大的考量便是便利性，分析軟件若是可以與CAD機構(gòu)設(shè)計軟件互相搭配，則能節(jié)省不少寶貴的時間，直接從機構(gòu)設(shè)計人員手中接過設(shè)計圖，便可以進行模擬分析，不但可以節(jié)省模擬分析的人重新繪圖時間，也可以立即將修正后的結(jié)果回饋給機構(gòu)設(shè)計人員進行修圖，節(jié)省熱流模擬的時間。以筆者的經(jīng)驗來說，I-Deas是最能符合此項要求的仿真分析軟件。
熱流分析軟件的比較
主要特色
優(yōu)點
缺點
Flowtherm
1 .利用計算流體力學(xué)CFD技術(shù)的電子熱傳分析軟件
2. 可同時分析熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射三者效應(yīng)共存的問題。
簡單、簡單易學(xué)，容易上手，若針對電子熱傳，可以得到相當(dāng)不錯的結(jié)果！
格點數(shù)目太多，無法分析不規(guī)則形狀或曲面。
不能o在Windws 2000下使用
I-Deas
1. 使用Finite-Elements Model
2. 有ESC與TMG模塊可以分析電子熱傳與熱輻射
1. 有自己的CAD的機構(gòu)設(shè)計環(huán)境，功能模塊完全。
2. 可將Pro/E或是ANSYS的圖文件讀入，對于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換很方便
在熱輻射的分析中有TMG模塊可以使用，但是對于view factor的條件設(shè)定必須要有經(jīng)驗，否則容易算出不合理的答案。
StarCD
1. 使用CFD的技術(shù)所開發(fā)的熱流軟件。
展開 仿真咨詢實戰(zhàn)：熱流固耦合分析
TASK
熱流固耦合分析中包括沸騰模型修正、接觸熱阻 計算和位移的傅立葉分解這三項功能。由于模型中部分區(qū)域發(fā)生了沸騰，非沸騰態(tài)下的換熱公式不再適用于計算沸騰態(tài)下的換熱量，因此需要對模型的換熱系數(shù)進行修正；接觸熱阻程序?qū)崿F(xiàn)的功能是根據(jù)接觸面之間的實際接觸面積、接觸表面的材料、接觸面間隙中介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)和接觸面的壓力計算接觸面的接觸熱阻；對于已知的位移結(jié)果，可以在二維坐標(biāo)系下可以將該平面內(nèi)的位移進行傅立葉分解，展開成多階傅立葉級數(shù)。
SOLUTION
主要技術(shù)挑戰(zhàn)：
沸騰修正涉及結(jié)構(gòu)模型和流體模型之間網(wǎng)格的插值和數(shù)據(jù)傳遞；
接觸熱阻公式較復(fù)雜，涉及物理量較多；
位移傅立葉分解計算較復(fù)雜；
解決方案：
開發(fā)沸騰修正模板，實現(xiàn)插值和模型修正功能；
開發(fā)接觸熱阻模板，實現(xiàn)熱阻公式的計算；
開發(fā)位移傅立葉分解模板，實現(xiàn)位移的傅立葉分解，并合并各階結(jié)果；
提供豐富的參數(shù)輸入和輸出界面；
結(jié)論：
形成了完整的熱流固耦合分析模板；
模板包括了沸騰修正、接觸熱阻和位移傅立葉分解功能。
Customer Benefit
熱流固耦合分析模板搭建的流程包含了沸騰修正、接觸熱阻和位移傅立葉分解的功能，已經(jīng)直接集成在柴油發(fā)動機仿真分析模板系統(tǒng)中，成為了柴油機整體仿真方案的一部分。
本文來自安世亞太微信公號，如果您對耦合分析有需求或感興趣，歡迎聯(lián)系溝通：
400-6600-388
展開 
ANSYS workbench三通管道流固熱耦合分析 ￥10
本案例適合哪些人學(xué)習(xí)：
1、學(xué)習(xí)型仿真工程師
2、理工科院校學(xué)生
你會得到什么：
1、學(xué)習(xí)三通管道的三維模型處理
2、學(xué)習(xí)三通管道流固熱耦合分析步的建立
3、學(xué)習(xí)三通管道流固熱耦合分析的載荷施加
4、學(xué)習(xí)三通管道流固熱耦合載荷的施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020r2.
案例介紹了ANSYS workbench 三通管道流固熱耦合分析。
本案例完整得提供了分析相關(guān)所有分析文件。
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展開 斜齒圓柱齒輪載荷分布及熱彈流溫度場分析
以傳動誤差為基礎(chǔ)，基于嚙合面和端面剛度建立了斜齒輪單位線載荷分析模型，通過數(shù)值解法得到了斜齒輪嚙合面上單位線載荷和轉(zhuǎn)角誤差分布。為便于設(shè)計和校核，建立了既綜合考慮齒廓因素和軸向因素，又能反映嚙合面載荷的特征坐標(biāo)系。將斜齒輪副簡化為兩個反向圓錐臺接觸模型，完善了斜齒輪熱彈流分析模型，得到了斜齒輪接觸點油膜壓力、厚度和溫度場分布，得到了沿特征坐標(biāo)分布的閃溫。結(jié)果：斜齒輪齒廓中部承擔(dān)了大部分載荷，其變化規(guī)律與轉(zhuǎn)角誤差相同。
1.引言
平行軸斜齒圓柱齒輪是高速重載傳動中的首選，其重合度高，傳動平穩(wěn)，振動和噪音小，已得到廣泛應(yīng)用。斜齒輪嚙合過程中單位線載荷的計算是斜齒輪設(shè)計和強度校核的基礎(chǔ)。熱彈流分析是校核承載能力的重要方法。
本文將載荷和熱彈流計算引入工程應(yīng)用，通過轉(zhuǎn)角誤差基于嚙合面和端面剛度得到了斜齒輪嚙合面上每一點的單位線載荷分布，提出了簡化斜齒輪設(shè)計和強度校核的特征坐標(biāo)系，建立了考慮潤滑油粘合和密度隨溫度和壓力變化的斜齒輪熱彈流分析模型，得到了嚙合面上的熱彈流溫度場，為斜齒輪設(shè)計與校核奠定了理論基礎(chǔ)。
展開 NXCAE熱\流分析設(shè)置多核并行計算的方法
NXCAE熱分析，可以模擬熱傳導(dǎo)、對流、輻射等過程。特別是輻射分析，可以設(shè)置發(fā)射率、反射率、折射率等參數(shù)，并能計算多次反射作用。
NX Space Systems
Thermal是針對航空航天領(lǐng)域的熱分析模塊，可以很方便地建立衛(wèi)星軌道、太陽輻射等模型。同時也可以用于車燈行業(yè)的光熱分析。
NXCAE流體分析，可以計算線性或非線性流體邊界條件、高速可壓縮流體、非牛頓流體(黏滯流)及旋轉(zhuǎn)流體等。廣泛用于汽車流場分析、風(fēng)扇流量分析等。
輻射分析和流體分析對內(nèi)存、時間消耗很大。NX熱\流分析中，提供了多核并行計算功能。可以有效利用計算機資源。
展開 ANSYS APDL熱分析--換熱器熱膨脹分析(附命令流)
管側(cè)溫度：320℃；殼側(cè)溫度：288℃；支架溫度：20℃
5.仿真結(jié)果
6.結(jié)論
對蒸汽發(fā)生器排污換熱器進行了三維建模，分析其在熱載荷下的熱膨脹量。
換熱器最大位移發(fā)生在管側(cè)的外側(cè)位置，最大矢量位移為15.7mm。同時可知：整個結(jié)構(gòu)主要是發(fā)生了沿著軸向的位移，最大軸向位移也發(fā)生在管側(cè)的外側(cè)位置，最大軸向位移為14.4mm。
命令流下載鏈接：
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提取碼：pcpy
展開 電力變壓器的熱流耦合仿真和絕緣紙熱老化分析
如果變壓器繞組熱點溫升過高則可能發(fā)生局部過熱，影響變壓器的運行穩(wěn)定性和服役壽命。絕緣紙作為油浸式電力變壓器的絕緣屏障，其老化產(chǎn)生的機械、絕緣等性能改變是一個不可逆過程，對其開展仿真研究對于變壓器運行維護具有重要的指導(dǎo)意義。
重慶大學(xué)的技術(shù)團隊經(jīng)過多年積累，在高壓設(shè)備和絕緣技術(shù)方面積累了深厚的經(jīng)驗。他們利用Simdroid對電力變壓器開展固體傳熱和流體的耦合仿真建模，模型采用二維近似簡化，在精確反映物理場景的前提下節(jié)省了計算資源，提高了計算效率和展示效果。本文展示的案例中在正常工況變壓器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了繞組間擋板，目的是研究擋板提高變壓器油橫向流動速度從而增強繞組散熱的效果，并在此基礎(chǔ)上開展熱老化評估。
在Simdroid中繪制的典型油浸式電力變壓器二維模型
借助Simdroid的多物理場耦合功能，重慶大學(xué)的研究人員可以在界面上輕松完成固體傳熱有限元方法和流體方程有限體積方法的聯(lián)合仿真計算，在電力變壓器模型中實現(xiàn)對含有復(fù)雜絕緣油通道、大量流固耦合邊界的網(wǎng)格自動優(yōu)化和高效耦合迭代。在仿真獲得的流體結(jié)果中，用戶可以通過云圖或流線圖查看流體速度的整體分布和局部細(xì)節(jié)；在溫度結(jié)果中，可以查看變壓器內(nèi)部整體溫度分布，從中了解熱點位置和發(fā)熱情況。
Simdroid中耦合仿真獲得的變壓器油流速分布云圖和流線圖
Simdroid耦合仿真得到流體和固體的穩(wěn)態(tài)溫度分布
電力變壓器流熱耦合仿真的結(jié)果在工程實踐中有兩個主要用途：一是通過傳感器獲得變壓器油出口和變壓器外殼等位置的實際監(jiān)測溫度，工程師可結(jié)合仿真在正常工況時實時掌握變壓器的運行情況，在非正常工況時做出預(yù)警或檢修等判斷；二是開展設(shè)備部件運行性能參數(shù)的分析，如絕緣油和絕緣紙老化性能等。
展開 FLUENT流-固-熱耦合分析
FLUENT流-固-熱耦合分析
ANSYS FLUENT軟件自V2019版本起，新增了Structure結(jié)構(gòu)求解功能，能夠基于Fluent軟件進行簡單模型的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形分析，具備線性及非線性結(jié)構(gòu)分析功能。本案例基于ANSYS FLUENT 2020R1進行管道閥門流-固-熱三場耦合分析。
1 模型描述
如圖所示尺寸的三維管道模型，管道模型中存在4個簡化的閥瓣模型，給定管道入口氣體流速為10m/s，閥板內(nèi)給定體積熱源為2000000w/m^3；
閥瓣模型材料參數(shù)：
密度：2700kg/m^3；
比熱：871J/kg.K；
熱傳導(dǎo)系數(shù)：202W/m^2.K；
楊氏模量：2.5E7Pa；
泊松比：0.37；
2 網(wǎng)格劃分
本案例網(wǎng)格基于ANSYS ICEM CFD進行全六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格如下圖所示：
流體區(qū)域：480000六面體網(wǎng)格；
固體區(qū)域：3800六面體網(wǎng)格。
3 FLUENT求解設(shè)置
求解計算分兩步完成，首先不考慮結(jié)構(gòu)變形對流體-固體進行穩(wěn)態(tài)共軛傳熱分析，然后基于上一步仿真計算結(jié)果考慮流固耦合作用實現(xiàn)瞬態(tài)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(wǎng)格文件vavle_test.msh；新版本顯式界面如下：
? 新版本的FLUENT軟件默認(rèn)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(shè)置
1）固體區(qū)域熱源：2000000W/m^3；選擇對應(yīng)的固體區(qū)域，勾選source terms加載能量源項。
展開 comsol熱流仿真分析服務(wù)
985碩士研究生畢業(yè)，主要從事comsol數(shù)值仿真工作，研究方向包括：多孔介質(zhì)傳熱、裂隙巖體滲流傳熱、固體傳熱、湍流傳熱、非等溫管道流傳熱、熱固耦合等方向。可提供模型調(diào)試，咨詢，論文指導(dǎo)，論文寫作等服務(wù)。
熱流固耦合場穩(wěn)態(tài)分析實例
熱流固耦合場穩(wěn)態(tài)分析實例（Fluent+Steady Thermal）；
網(wǎng)格工具Ansys Meshing，模擬平臺Workbench；
問題描述：
01 組合分析模塊；
02 導(dǎo)入幾何文件；
03 生成流體區(qū)域；
04 設(shè)置對稱面
05 劃分網(wǎng)格
06 標(biāo)記面
07 在fluent中定義溫度單位
08 定義物理模型（湍流）
09 打開能量方程
10 定義流體材料屬性（水）
11 定義鋼管材料屬性（鋼）
12 指定區(qū)域材料類型
13 定義邊界條件（入口流速，溫度）
14 求解控制
15 初始化
16 監(jiān)控
17 求解
18 在 Steady-Thermal中定義邊界條件
19 求解
總結(jié)：
01 Fluent中包含了流場和鋼管；
02 將Fluent的溫度結(jié)果傳遞到Steady-Thermal中；
Txingguan.7z
展開 涉及流固耦合（對流、輻射）的熱分析
材料性質(zhì)：
固體：銅：導(dǎo)熱系數(shù)k=400，比熱c=400，密度8890。（單位：SI）
流體：空氣
3. 邊界條件
銅母線生熱率：12960w/m3
銅外殼生熱率：8909w/m3
銅外殼外側(cè)與空氣對流換熱：hc= 4w/(m2*K), T,ambient = 313 K
銅外殼外側(cè)的熱輻射率：emissivity=0.85
銅母線、銅外殼內(nèi)側(cè)的熱輻射率均為 0.85
重力y軸負(fù)向：9.8
幾何圖形見下圖(單位：m)
4.附檔
4.a gambit網(wǎng)格
simwe_thermal_gambit_mesh.rar
4.b icemcfd project file
simwe_tube_icemcfd_project.rar
4.c icemcfd mesh for cfx
simwe_tube_icem10_mesh.rar
4.d ansys_mesh file
ansys_mesh file.rar
用openoffice calc, 簡單計算的資料
(上方是基本參數(shù)資料, 下左框是 for absorption =1, 下右框是 for absorption =0.85
在表中所設(shè)的管長是1.00 meter, 但是在icemcfd and ansys 網(wǎng)格中的管長是建為0.0025 meter的
根據(jù)熱平衡時, 所有銅管產(chǎn)生之熱, 必等於外表面散熱(radiation + convection)
可知合理的表皮溫度應(yīng)在363(or 369)度附近
用omega Reynold stress turbulent model 的結(jié)果
K-e turbulent model 的結(jié)果
展開 機翼全參數(shù)化設(shè)計及流-固-熱耦合分析
通過建立一套全參數(shù)化的機翼設(shè)計分析模型構(gòu)建體系，可實質(zhì)性的促進達成快速多方案迭代或自動優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)。
各種不同翼型結(jié)構(gòu)的參數(shù)化快速建模
2) 案例描述
機翼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要找出全參數(shù)化定義設(shè)計和分析模型的具體實現(xiàn)方法，需要同時考慮CFD氣動分析及氣動加熱和結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)、結(jié)構(gòu)動靜強度、流固熱三個物理場在各種不同的計算狀態(tài)下的雙向耦合。基于這種技術(shù)挑戰(zhàn)，機翼全參數(shù)化設(shè)計及流-固-熱耦合分析系統(tǒng)利用APDL全參數(shù)化建模，同時建立結(jié)構(gòu)分析模型和CFD網(wǎng)格模型；利用Mechanical+CFX流固耦合實現(xiàn)流-固-熱三場多狀態(tài)雙向耦合計算。
自動構(gòu)建機翼流-固-熱耦合分析網(wǎng)格
3) 實踐及效果
a、 實現(xiàn)了機翼結(jié)構(gòu)幾何及流-固-熱三場分析網(wǎng)格模型的全參數(shù)化自動建立；
b、 實現(xiàn)了流-固-熱三場全自動多狀態(tài)雙向耦合分析計算
c、 對機翼設(shè)計，尤其是前期設(shè)計階段，實現(xiàn)了全參數(shù)化快速多方案精細(xì)對比分析，極大提升設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。
流-固-熱三場多狀態(tài)雙向耦合計算
展開 永磁電機電磁（Maxwell）、熱（Fluent）耦合分析流
永磁電機電磁（Maxwell）、熱（Fluent）耦合分析流
