ansys熱仿真邊界條件的案例
電池熱管理仿真（三）：三維仿真邊界條件和算法
前面兩篇文章講解了前處理的要點(diǎn)以及如何將電池包模型網(wǎng)格化，今天的文章主要是來(lái)講講如何根據(jù)整車工況對(duì)電池包三維熱仿真施加邊界條件及初始條件，以及簡(jiǎn)單介紹下電池包熱管理算法的選擇。
一. 邊界條件
現(xiàn)如今的新能源車，EV或者是PHEV，大部分將電池包固定在車身底部，與整車的接口主要是高壓線束接口與水冷系統(tǒng)的進(jìn)出口（若是液冷），另外與包外空氣域直接或間接接觸，并且還會(huì)或多或少的受到熱輻射的影響，所以電池的三個(gè)主要邊界條件：
（1）進(jìn)出口水溫與流速；
（2）電池包功率需求；
（3）周圍環(huán)境的影響。
圖1：電池包車身位置
（1）：進(jìn)出口水溫與流速
液冷電池包的冷源可以說(shuō)是來(lái)自壓縮機(jī)，通過Chiller進(jìn)行冷媒與冷卻液的熱交換，將熱量帶走，一般進(jìn)口水溫可以低到15℃~25℃，而流速是水泵的作用，一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)最高在12L/min~16L/min這個(gè)區(qū)間。
圖2：典型液冷電池熱管理架構(gòu)
（2）：功率需求
工程中，衡量一個(gè)設(shè)計(jì)方案的好壞，肯定是在一定的工況下評(píng)估的。工況的選取很有講究，選擇過于嚴(yán)苛的工況，容易過設(shè)計(jì)，相反，會(huì)達(dá)不到整車的性能要求。電池熱管理工況一般選擇快充，急加急減，最高車速或爬坡等一系列極限工況來(lái)綜合評(píng)估電池包冷卻效果。而工況一般是車速map，工程師需要將車速轉(zhuǎn)換成電池包功率需求，再計(jì)算成電池的發(fā)熱量。筆者認(rèn)為這是仿真計(jì)算仿真中的一大難點(diǎn)，因?yàn)殡姵乇旧淼陌l(fā)熱量或者說(shuō)電池內(nèi)阻會(huì)隨SOC、溫度、電流大小和電池SOH狀態(tài)等變化而變化，要在三維仿真中將這些因素一起考慮會(huì)帶來(lái)很大的計(jì)算量,所以一般只能做近似計(jì)算。
展開 DEFORM邊界條件之：熱邊界條件(Thermal Boundary Conditions)
指定的子程序編號(hào)將與邊界條件所對(duì)應(yīng)的子程序相對(duì)應(yīng)。如果例程編號(hào)保留為0，則用戶可以定義局部邊界條件，在該條件下，需要指定環(huán)境溫度，對(duì)流系數(shù)，輻射率和熱流密度等條件。這四個(gè)變量都可以定義為常量或時(shí)間的函數(shù)。這個(gè)選項(xiàng)可以定義多個(gè)條件，每個(gè)條件對(duì)應(yīng)一個(gè)Definition No.
Definition 1:
Definition 2:
Definition 3:
仿真技巧 | Ansys HFSS 3D Layout中設(shè)置邊界條件的方法
2、Layer Stack中的邊界條件設(shè)置
在Layer Stack中對(duì)于邊界條件的設(shè)置都位于Analysis區(qū)域，如下圖，包括Etch，Rough和Solver三個(gè)部分，對(duì)每一個(gè)金屬層，都可以指定這三項(xiàng)設(shè)置。
? Etch：控制本層的橫截面形狀。
Etch factor（蝕刻因子）定義如下：
etch_factor = layer_thickness / (bottom_dimension - top_dimension) / 2
當(dāng)top值大于bottom時(shí)，蝕刻因子為負(fù)，top值小于bottom時(shí)，蝕刻因子為正。在HFSS中，只有信號(hào)層具有蝕刻因子，介質(zhì)層和負(fù)信號(hào)層不具有信號(hào)因子。
? Rough：設(shè)置本層的金屬表面粗糙度。
金屬表面粗糙度與傳導(dǎo)損耗有關(guān)。其中Top，Bottom和Side的表面粗糙度都可以獨(dú)立設(shè)置。對(duì)于Groisse模型，可將表面粗糙度模型定義為值或變量，Groisse是傳統(tǒng)模型，不具有因果性，僅適用于頻域計(jì)算。最大阻抗倍增因子限制為2，對(duì)應(yīng)高度拋光導(dǎo)體表面。傳統(tǒng)項(xiàng)目默認(rèn)使用Groisse模型。對(duì)于Huray模型，還需要設(shè)置Nodule radius和Hall-Huray surface ratio。Huray模型具有因果性。
? Solver控制HFSS 3D Layout在低頻時(shí)對(duì)本層金屬的處理方法。
推薦使用DC thickness，并設(shè)置為Effective，可以在只使用面網(wǎng)格的情況下，準(zhǔn)確計(jì)算金屬的低頻損耗。
文章來(lái)源于南京安世亞太，作者朱秀珍
展開 熱分析熱載荷和邊界條件
<p><br></p><figure style="text-align: center;"><figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202503/attachment/99e5d4e5195145e4aa78c14d71c00def.png" style="display: inline-block;"><img src="https://img.jishulink.com/202503/attachment/99e5d4e5195145e4aa78c14d71c00def.png"></figure></figure><div contenteditable="false" width="100%"><hr></div><p><br></p><p>熱分析熱載荷和邊界條件</p>
展開 
關(guān)于Fluent熱邊界條件清單
1、壁面熱邊界，是基于Fluent計(jì)算傳熱問題的關(guān)鍵，因此大家有必須把各類邊界條件研究清楚。
-熱通量（熱流密度）；
-溫度
-對(duì)流
-輻射
-混合
-基于系統(tǒng)耦合器
-基于映射界面
2、Fluent壁面熱邊界條件的理論基礎(chǔ)就是1維傳熱學(xué)
3、熱流密度邊界：
上述適用于壁面臨近的區(qū)域?yàn)榱黧w區(qū)域，當(dāng)壁面臨界的區(qū)域?yàn)楣腆w區(qū)域時(shí)，則使用下式計(jì)算：
4、溫度邊界：
壁面一側(cè)為流體區(qū)域時(shí)
壁面一側(cè)為固體區(qū)域時(shí)
5、對(duì)流邊界：
對(duì)流換熱邊界只針對(duì)流體，基于傳遞熱通量相等原理，得到了上式，默認(rèn)在壁面位置沒有溫降低也沒有吸熱，如果用戶設(shè)置了壁面厚度，則可以考慮熱阻，如果用戶設(shè)置生熱率則可以考慮壁面發(fā)熱。
6、熱輻射邊界：
熱輻射邊界只針對(duì)流體，基于傳遞熱通量相等原理，得到了上式，在Fluent流體區(qū)域一側(cè)熱量基于對(duì)流換熱計(jì)算，在壁面外側(cè)熱量基于輻射傳熱定律計(jì)算。默認(rèn)在壁面位置沒有溫降低也沒有吸熱，如果用戶設(shè)置了壁面厚度，則可以考慮熱阻，如果用戶設(shè)置生熱率則可以考慮壁面發(fā)熱。
7、混合傳熱邊界：
混合傳熱邊界只針對(duì)流體，基于傳遞熱通量相等原理，得到了上式，在Fluent流體區(qū)域一側(cè)熱量基于對(duì)流換熱計(jì)算，在壁面外側(cè)熱量基于輻射傳熱定律和對(duì)流換熱計(jì)算計(jì)算。默認(rèn)在壁面位置沒有溫降低也沒有吸熱，如果用戶設(shè)置了壁面厚度，則可以考慮熱阻，如果用戶設(shè)置生熱率則可以考慮壁面發(fā)熱。
展開 ANSYS Maxwell中邊界條件的應(yīng)用
圖5 仿真模型
圖6 Magnetic Field(H-Field)邊界條件設(shè)置界面
圖7 邊界條件及方向定義
圖8 ZeroTangential H Field定義界面
圖9 邊界條件
圖10 XY平面磁密分布
圖11 XY平面磁密分布
3.3 應(yīng)用說(shuō)明
當(dāng)仿真對(duì)象處于某外部磁場(chǎng)中，且該外部磁場(chǎng)對(duì)仿真對(duì)象性能的影響不能忽略時(shí)，可以用到這兩種邊界條件，如地磁仿真。Maxwell 3D瞬態(tài)場(chǎng)中不能添加Tangential H Field邊界條件。
Region的設(shè)置應(yīng)和實(shí)際磁場(chǎng)盡可能相同，若外部磁場(chǎng)為地磁場(chǎng)，則應(yīng)選擇盡可能大的Region。
4 VectorPotential
4.1 邊界條件解釋
矢量磁勢(shì)邊界條件，定義邊界上的矢量磁位A的常數(shù)值。邊界處的磁場(chǎng)與邊界正切，不會(huì)漏到邊界外面去。
4.2 案例驗(yàn)證
本案例將會(huì)在Maxwell 2D靜磁場(chǎng)中查看Vector Potential邊界條件對(duì)磁場(chǎng)的影響。利用1.2中的案例直接生成Maxwell 2D算例，如圖12所示。
選擇Region所有的邊界，并添加VectorPotential Boundary，值為0，如圖13所示。設(shè)置一個(gè)足夠收斂的“Setup”，并求解，求解完成后查看所有實(shí)體的Flux_Line，如圖14所示。
圖12 模型
圖13 定義矢量磁勢(shì)邊界條件
圖14 磁力線分布
4.3 應(yīng)用說(shuō)明
此邊界條件僅用于Maxwell 2D。
從仿真結(jié)果的磁力線分布可知，磁場(chǎng)被嚴(yán)格限定在邊界之內(nèi)，與Maxwell 3D中的Neumann邊界條件有異曲同工之處。
展開 ANSYS Fluent 邊界條件（二）之outflow自由出口
ANSYS Fluent 邊界條件outflow自由出口的介紹及使用。
一、outflow簡(jiǎn)介
當(dāng)出口壓力與速度均未知時(shí)，可以使用Outflow邊界條件。該邊界通常無(wú)需定義任何物理參數(shù)，F(xiàn)luent利用計(jì)算域內(nèi)部信息通過數(shù)值外插獲取該邊界上的物理量分布。
Fluent將outflow邊界視作充分發(fā)展邊界，假設(shè)該邊界上的流動(dòng)滿足充分發(fā)展流動(dòng)假設(shè)。充分發(fā)展的流動(dòng)是流動(dòng)速度分布(和/或其他性質(zhì)的分布，如溫度)在流動(dòng)方向上不變的流動(dòng)。需要注意的是，在Outflow邊界上只有法向方向的擴(kuò)散通量為零，切向方向依然可以存在梯度。
二、使用限制
入口為壓力入口時(shí)，不可以使用outflow，此時(shí)應(yīng)該使用壓力出口；
outflow邊界不能用于可壓縮流動(dòng)，不可壓縮流動(dòng)最好用壓力出口；
在不可壓縮的情況下，歐拉模型或混合多相模型可以使用outflow邊界。但如果出口可能產(chǎn)生回流，或流場(chǎng)在出口位置非充分發(fā)展時(shí)，通常使用壓力出口邊界。
三、使用說(shuō)明
在完全展開的流中，流出邊界條件是遵循的，其中出口方向上所有流動(dòng)變量的擴(kuò)散通量為零。但是，也可以在流動(dòng)尚未完全展開的物理邊界處定義流出邊界，如果出口處的零擴(kuò)散通量假設(shè)預(yù)計(jì)會(huì)對(duì)流動(dòng)解決方案產(chǎn)生很小的影響，則可以放心使用。
位置A作為Outflow邊界通常會(huì)計(jì)算不收斂，計(jì)算結(jié)果通常是無(wú)效的。因?yàn)樵撐恢么嬖趪?yán)重的流動(dòng)回流，通過該邊界的質(zhì)量流量是不確定的。此時(shí)應(yīng)當(dāng)使用壓力出口邊界；
位置B位于后向臺(tái)階再循環(huán)再附點(diǎn)附近。在該位置使用Outflow邊界是不合適的。該位置垂直于出口平面的梯度很大，可以預(yù)料到該邊界對(duì)上游流場(chǎng)影響較大，因此在該位置選擇Outflow邊界是不合適的；
位置C所示的出口邊界位于流動(dòng)充分發(fā)展的區(qū)域。
展開 ANSYS Workbench利用節(jié)點(diǎn)施加邊界條件
4）邊界條件設(shè)置完成后，進(jìn)行求解，得到位移、應(yīng)力等結(jié)果。
5）為了對(duì)比，我們復(fù)制出相同的一個(gè)靜力分析，將約束和載荷改為直接施加到幾何上，進(jìn)行求解，得到位移、應(yīng)力等結(jié)果，結(jié)果數(shù)值與上面基本相同。
3
結(jié)論
通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不管是加在幾何還是加在節(jié)點(diǎn)上，兩種情況下計(jì)算結(jié)果基本一致。其實(shí)在ANSYS程序計(jì)算時(shí)，所有加在幾何上的邊界條件，都會(huì)被程序轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)或單元上，然后再進(jìn)行有限元方程的求解。所以，加在幾何上與加在節(jié)點(diǎn)上，產(chǎn)生的效果完全一樣，其最后的結(jié)果也相同。在遇到一些無(wú)法直接加在幾何上的邊界條件時(shí)，我們可以使用上述方法，選擇適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行節(jié)點(diǎn)邊界條件的施加。
來(lái)源： ANSYS學(xué)習(xí)與應(yīng)用
展開 三維仿真邊界條件和算法
三維仿真邊界條件和算法
COMSOL光器件仿真，掌握這些控制方程和邊界條件就夠了
COMSOL中的邊界模式分析功能可以分析出光波導(dǎo)入射邊界上的模場(chǎng)分布，為模型添加正確的激勵(lì)波源。
三維脊型光波導(dǎo)
光子晶體是周期性排列的不同折射率介質(zhì)組成的規(guī)則光學(xué)結(jié)構(gòu)。某個(gè)頻率范圍的光波不能在該結(jié)構(gòu)中傳播，也就是說(shuō)，光子晶體存在帶隙，可以控制光子的運(yùn)動(dòng)。一維、二維、三維光子晶體都可以利用COMSOL進(jìn)行仿真。
三維光子晶體的 Bloch-Floquet 本征模式
四、光器件案例實(shí)戰(zhàn)
了解了光器件的發(fā)展歷史后，當(dāng)然要在COMSOL軟件中實(shí)戰(zhàn)了。我們以常見的介質(zhì)波導(dǎo)為例，來(lái)看看如何在COMSOL中完成仿真。假設(shè)波導(dǎo)的厚度是1mm，芯層折射率為1.5，包層折射率為1。入射光波的波長(zhǎng)1550nm，光的偏振方向與仿真平面垂直（TE波）。
對(duì)于這類介質(zhì)波導(dǎo)，可以使用“數(shù)值端口”邊界條件來(lái)施加激勵(lì)，該邊界條件設(shè)置為“開”的時(shí)候是激勵(lì)源，設(shè)置為“關(guān)”的時(shí)候可以模擬電磁波無(wú)反射地離開（開邊界）。
1、首先，選擇二維幾何，并使用“電磁波，頻域”接口來(lái)仿真，研究類型選擇“頻域”。
2、輸入仿真所需的參數(shù)，包括芯層和包層的折射率、波導(dǎo)的幾何尺寸、入射波長(zhǎng)、頻率、波數(shù)等。
3、將幾何長(zhǎng)度單位設(shè)置為mm，并創(chuàng)建兩個(gè)“矩形”，分別代表芯層和包層。
4、設(shè)置第一個(gè)“端口”邊界條件，端口類型選擇“數(shù)值”，輸入功率保留默認(rèn)的1[W]
5、設(shè)置第二個(gè)“端口”邊界條件，端口類型選擇“數(shù)值”，此端口的波激勵(lì)保留默認(rèn)的“關(guān)”。
如軟件界面所示，以上兩個(gè)數(shù)值端口邊界都需要“邊界模式分析”研究步驟。
展開 ANSYS知識(shí)庫(kù) | Maxwell相關(guān)：如何定義阻抗邊界條件?（一）
解決辦法：以爪極電機(jī)為例
★ 第一步：正常計(jì)算正常施加主邊界條件
正常施加主邊界條件
★ 第二步：施加從邊界條件，方向與主邊界條件相反，奇對(duì)稱：
從邊界條件
從邊界條件定義
★ 第三步：修改計(jì)算周期數(shù)
★ 效果，計(jì)算結(jié)果一致，但耗時(shí)大大減少。
來(lái)源于：ANSYS官網(wǎng)
ANSYS知識(shí)庫(kù) | Maxwell相關(guān)：如何定義阻抗邊界條件?（二）
來(lái)源于：ANSYS官網(wǎng)
ANSYS知識(shí)庫(kù) | Maxwell相關(guān)：如何定義阻抗邊界條件?（一）
解決辦法：以爪極電機(jī)為例
★ 第一步：正常計(jì)算正常施加主邊界條件
正常施加主邊界條件
★ 第二步：施加從邊界條件，方向與主邊界條件相反，奇對(duì)稱：
從邊界條件
從邊界條件定義
★ 第三步：修改計(jì)算周期數(shù)
★ 效果，計(jì)算結(jié)果一致，但耗時(shí)大大減少。
來(lái)源于：ANSYS官網(wǎng)
ANSYS知識(shí)庫(kù) | Maxwell相關(guān)：如何定義阻抗邊界條件?（二）
來(lái)源于：ANSYS官網(wǎng)
新能源電池包國(guó)標(biāo)強(qiáng)度仿真abaqus求解器邊界條件一鍵設(shè)置腳本 ￥69.9
在設(shè)計(jì)階段，各主機(jī)廠都將電池pack需通過國(guó)標(biāo)強(qiáng)度仿真（包括擠壓、隨機(jī)振動(dòng)、沖擊和模擬碰撞等工況）作為必要條件。本腳本針對(duì)abaqus求解器開發(fā)，可一鍵完成電池pack國(guó)標(biāo)要求工況邊界條件的設(shè)置，可極大提高FEA工程人員的效率，減輕工作負(fù)擔(dān)。</p><p>腳本使用方法：</p><p>1、將前處理軟件生成的*.inp網(wǎng)格文件導(dǎo)入abaqus中打開。（注1）</p><div contenteditable="false" width="100%">
<figure class="figure-image" data-img="https://img.jishulink.com/202404/attachment/b577a553357546739e02b7d43e7e160f.jpg" style="text-align: center">
<img src="https://img.jishulink.com/202404/attachment/b577a553357546739e02b7d43e7e160f.jpg" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/202404/attachment/b577a553357546739e02b7d43e7e160f.jpg?image_process=/format,webp/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/202404/attachment/b577a553357546739e02b7d43e7e160f.jpg?
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