Fluent共軛傳熱的案例
【資料】FLUENT官方教程：共軛傳熱
帶中文PPT講解，包括GAMBIT建模與FLUENT前后處理。
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
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。
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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?
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。
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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
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 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
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 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。
展開 ANSYS教學視頻| Mapping技術助力Fluent輕松解決Underhood共軛換熱問題
視頻內容：
發動機艙內大量的復雜結構件給工程師進行熱管理仿真帶來了很大的挑戰，傳統的基于流體-結構網格共節點的求解方式存在網格生成難度大，網格量不容易控制等問題，本視頻介紹了基于FLUENT最新的Mapping技術，工程師可以分別生成結構網格及流體網格，僅通過指定界面Mapping關系即可完成復雜結構的共軛換熱分析，大大提高了發動機艙及整車熱管理分析的效率。
建議在wifi環境下觀看
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ANSYS Fluent案例解析_共軛換熱
并分享一個關于共軛換熱的簡單案例_
▉ 共軛換熱
▉ 案例解析
▉ 討論
02
共軛換熱
問：什么是CHT？共軛換熱？
答：Conjugate Heat Transfer，即共軛換熱是指兩種材料熱屬性的物理之間通過介質或者直接接觸，發生的一種耦合換熱現象。
◆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。
FLUENT流固耦合傳熱模擬
4 定義模型
（1）雙擊A4欄Setup項，打開Fluent Launcher對話框，單擊OK按鈕進入FLUENT界面。
（2）單擊命令結構樹中General按鈕，彈出General（總體模型設定）面板。在SolverTime中選擇Transient，勾選Gravity，在Z中填入-9.81m/s2。
（3）在模型設定面板Models中雙擊Energy按鈕，彈出Energy（能量模型）對話框，勾選Energy Equation，單擊OK按鈕確認并關閉對話框。
（4）在模型設定面板Models中雙擊Viscous按鈕，彈出Viscous Model（湍流模型）對話框，在Model中選擇Realizable k-epsilon(2eqn)，在Near-Wall Treatment中選擇Scalable Wall Functions，單擊OK按鈕確認并關閉對話框。
5 設置操作條件
（1）單擊主菜單中Setting Up Physics→Zones→Cell Zone Conditions面板。設置內部立方體材料為鋁。
（2）單擊Operating Conditions按鈕彈出Operating Conditions對話框，勾選Specified Operating Density，單擊OK按鈕并關閉對話框。
6 設置交界面
（1）單擊主菜單中Setting Up Physics→Interfaces→Mesh按鈕啟動的Mesh Interfaces對話框，選擇contact_region，單擊Delete按鈕刪除Meshing自動生成的交界面。
展開 跟隨波逐流一起學Fluent——傳熱
跟隨波逐流一起學Fluent——傳熱.pdf
FLUENT波紋管內傳熱流動模擬
（7）右鍵單擊Workbench界面中A3 Mesh項，選擇快捷菜單中的Update項，完成網格數據往Fluent分析模塊中的傳遞。
4 定義模型
（1）雙擊A4欄Setup項，打開Fluent Launcher對話框，單擊OK按鈕進入FLUENT界面。
（2）單擊命令結構樹中General按鈕，彈出General（總體模型設定）面板。在SolverTime中選擇Steady，勾選Gravity，在Y中填入-9.81m/s2。
（3）在模型設定面板Models中雙擊Energy按鈕，彈出Energy（能量模型）對話框，勾選Energy Equation，單擊OK按鈕確認并關閉對話框。
5 設置材料
（1）單擊主菜單中Setting Up Physics→Materials→Create/Edit，彈出Create/Edit Materials（材料）對話框。單擊Fluent Database按鈕彈出Fluent Database Materials對話框，選擇water liquid單擊Copy按鈕確認。
（2）同（1），選擇固體材料鐵。
6 設置操作條件
（1）單擊主菜單中Setting Up Physics→Zones→Cell Zone Conditions面板。設置管道材料為鐵，內部流體材料為水。
7 邊界條件
（1）單擊主菜單中Setting Up Physics→Zones→Boundaries按鈕啟動的邊界條件面板。
（2）在邊界條件面板中，雙擊設置inlet，Velocity Magnitude填入0.001，單擊OK按鈕確認退出。
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