氣動熱仿真的案例
關于熱仿真及測試的方法，你知道的有哪些？
但是影響溫度的因素，因應用環境等的不同而顯著不同，因此，針對不同的應用往往采用不同的專業工具來進行設計仿真和測試，對此，你又了解多少呢？
解決方案
典型的工程熱問題包括外太空的熱控、高溫輻射熱、高速氣動熱、常溫流動換熱、電子散熱等，這些一般都可以通過仿真來對比、驗證熱設計方案，通過相關測試獲取熱參數或標定熱模型。
外太空的熱控
衛星、空間站等工作中外太空，攜帶的燃料、光電轉換得到的電能等都是寶貴的資源，因此往往借助Dymola多學科一維系統仿真工具，進行整星的能量系統性能和控制進行仿真。
外太空的特點是軌道和姿態的影響大、低溫環境、對流弱。針對這些特性，Thermica可方便地設置太陽系內的各種衛星軌道，支持部件機動、多航天器相互指向等復雜姿態，基于光線追蹤法并行計算幾何角系數、軌道外熱流以及熱輻射等，Thermisol基于節點熱阻網絡分析整體的溫度場在軌道不同位置的熱狀態。
高溫輻射熱仿真
不僅低溫環境下存在強烈的熱輻射，常溫環境下高溫部件也會有強烈的熱輻射，比如火箭或飛機等的尾噴管會對其附近的設備等產生高溫熱輻射加熱，汽車的渦輪增壓器和排氣管也會對發動機艙內和底盤的線束、管路產生熱輻射加熱。Taitherm能夠快速分析并直觀展示熱輻射狀況，直接與常用CFD仿真工具耦合進行熱-流仿真，獲得長時間的瞬態熱狀況，用于發現潛在的熱害、設計合理的熱防護方案。
高速氣動熱仿真
對于返回艙、火箭、導彈、飛機等而言，因為其高速運動于大氣中，會產生嚴重的氣動熱效應，不僅涉及到熱，還與高速的空氣流動密不可分。FloEFD能夠根據幾何外形的曲率和壓力梯度等自動細化網格，并采用了先進的湍流修正模型和雙層壁面函數，能夠準確地分析高速氣動的熱狀況。
展開 Fluent仿真案例-高超音速再入艙氣動熱仿真
考慮這種熱非平衡對于高超超聲速流的精確模擬是重要的，最重要的是在表面傳熱和溫度的預測。
粘度模型使用k-ω SST湍流模型，保留默認設置。
3、材料
默認的流體材料是空氣，這是此問題中的工作流體。對于高超聲速流來說，考慮可壓縮性和熱物理性質隨溫度的變化是很重要的。這將在選擇使用雙溫度模型時自動完成，以確保使用適當的屬性。
4、操作條件
設置操作壓力為0。
5、邊界條件
“inflow”邊界：如下，并設置溫度為250K。
“outflow”邊界：如下，并設置溫度為250K。
“wall”邊界：設置溫度為1500K。
6、求解
求解方法和離散方法如下。
庫朗數和松弛因子如下。
設置求解限制。
初始化設置。
迭代步數設置為500，點擊Calculate開始計算。
7、計算結果處理
顯示外流場馬赫數。
顯示壁面的表面熱通量分布。
顯示對稱平面上的平移-旋轉溫度與振動-電子溫度的比值。
比較近似停滯線上的平移溫度和振動電子溫度。
-------END-------
文章來源：CFD小鎮
展開 基于實際工程的飛行器氣動設計與仿真
它不行，還是我不行
在飛行器氣動力/熱的仿真中，為什么有的工程師仿真結果與風洞試驗數據吻合較好，有的工程師差異較大？無非，就是它不行，還是自己不行的問題。
它不行，講的是，自己選擇的網格生成工具及求解器，本身就不適合自己需要仿真模擬的工況。
我不行，指的是，工具行，自己沒掌握。舉幾個例子，生成的網格，邊界層不合理（不同求解器及湍流模型，對Y+要求也不同）；計算激波/邊界層干擾的脈動，用DES......
圖34 采用DES模型的內埋彈艙渦系結構
圖35 采用LES模型的S彎進氣道擬序結構圖
CFD仿真的驗證，選用資料要慎重，最好有自己的實驗驗證。
6. CFD的展望
才疏學淺，此部分實在不敢多言。
NASA提出的未來研究的6個戰略方面中的“關鍵技術”的主要內容之一即流體力學（空氣動力學）。要求的目標是發展新的概念，提出新的理論、實驗及計算工具等，最終要保證飛行器的有效設計和運行。CFD則被美國國防部列為21項關鍵技術之一。這些均說明，空氣動力學的地位在21世紀，不但沒被削弱，反而進一步增強，沒有空氣動力學的新技術、新成果，就無法實現先進飛行器的高性能。
隨著CFD方法的不斷突破，及計算機技術的飛躍發展，多學科分析及優化設計手段的持續融入，機器學習的方興未艾，飛行器的設計必將迎來更大的革命。
圖36 280億網格的客機著陸構型
7. 幾點體會
上面的文字，大部分是我自己的工作體會，也有部分內容是從書上及網絡上“搬”過來的。大家可能會感到缺了點什么或者認為我是否有所保留。
展開 氣動仿真助推渦軸發動機型號研制全面加速
聯合/耦合氣動及換熱仿真
渦軸發動機由于自身結構緊湊和裝機位置特殊等原因，需要對氣動及換熱問題進行綜合考量，才能較為準確地評估出設計方案的有效性及合理性，為發動機的安全運轉及性能優化提供定量數據支撐。
空氣系統
渦軸發動機空氣系統與發動機軸向力、強度壽命以及變形等關系密切，而這些又與發動機的安全運行緊密相關。因此，只有準確地仿真出轉子周圍的流動及換熱情況，對轉子件強度、壽命、變形進行準確分析，才能為發動機的安全性設計提供保障。
由于渦軸發動機空氣流量小、溫度梯度大，冷氣沿程溫升很高，流動與傳熱熱效應非常顯著。為滿足工程分析精度要求，必須進行空氣流動與零件傳熱耦合仿真分析。以一個渦軸發動機燃氣渦輪二級導向葉片及內封嚴結構的流熱耦合結果為例，其中考慮了冷氣沿程的沖擊換熱、肋片強化冷卻、空氣預旋、盤腔風阻、篦齒射流等一系列復雜流動與換熱現象的相互耦合影響。空氣系統仿真在準確提供轉子盤腔內部氣流流動信息的同時，還有助于更精確地進行零部件冷卻效果、溫度場分析。這對提升渦軸發動機性能、壽命，保障渦軸發動機安全運轉提供了有力支撐。
整機聯合氣動仿真
渦軸發動機性能與進氣道性能和外界來流情況直接關聯，嚴重時發動機的壓比、效率和裕度均會大幅下降，甚至危及穩定運行，這就需要通過各部件聯合氣動仿真和內外流耦合仿真分別對不同因素進行評估。為此，動研所開展了發動機進氣道—壓氣機—燃燒室—渦輪聯合氣動仿真研究工作，如圖3所示，可有效評估各部件對整機性能的影響程度，對各部件的耦合匹配意義重大。
展開 
Ansys CFD在eVTOL領域的解決方案，涉及飛行車外氣動、旋翼、氣動噪聲和電池熱管理等【6月19直播】
eVTOL在研發過程中有諸多難點和重點，Ansys CFD 在 eVTOL（電動垂直起降飛行器）領域提供了覆蓋氣動優化、多物理場耦合、熱管理、噪音控制等全流程的仿真解決方案，助力工程師應對復雜設計挑戰。
ZEVA ZERO曾利用 Ansys CFD 優化氣動布局，使其在垂直起降時的噪音低于街道環境，同時滿足 GoFly 競賽中 40 海里續航和 100 mph 速度要求；Volvo EX90 電動車通過 GPU 加速 CFD 模擬，將空氣動力學優化周期縮短，助力提升電動車續航里程。
6月19日，以『Ansys CFD在eVTOL領域的解決方案』為主題的Ansys官方研討會于線上開展，下滑預約??
時間：6月19日（星期四），16：00-17：00
內容簡介：主要介紹Ansys CFD產品在電動垂直起降飛行器(eVTOL)產品研發過程中的解決方案；解決方案涵蓋飛行車外氣動、旋翼、氣動噪聲和電池熱管理等方面的仿真解決方法和相關案例。
講師：
姚翔 | Ansys高級應用工程師
北京航空航天大學能源學院葉輪機械工學碩士。長期從事旋轉機械相關的設計、仿真工作，現任Ansys旋轉機械方向應用工程師，對Ansys旋轉機械產品體系有著豐富經驗。
形式：線上
費用：免費
掃碼立即報名
- -THE END- -
技術鄰簡介：
技術鄰專注于工科技術社區，從最早的CAE技術社區（中國CAE聯盟）發展而來，在CAE領域有20年的教學和咨詢服務經驗。
展開 基于AMESim仿真分析軟件的氣動閥門運動特性研究 AMESim氣動附軟件下載
摘要：基于AMESim仿真分析軟件，對氣動閥門內部的運動規律、閥門內部零組件相互運動關系進行了研究，并采取了非接觸測量方法，測量了閥門內部閥桿運動速度，確定了仿真分析的正確性。結果表明：氣動閥門在打開瞬間，閥桿會有較大的運動速度，并可能發生頂桿與閥桿的反向碰撞問題，給頂桿或閥桿帶來損傷。
關鍵詞：氣動閥門；內部運動規律；運載火箭
引 言
氣動閥門廣泛應用于運載火箭的加注、泄出、排氣等系統，在飛型號的排氣閥、安溢閥，在研型號的加注閥、排氣閥等多采用氣動控制閥。隨著閥門的直徑、流量的 增大，閥門的結構尺寸和重量也越來越大。氣動閥門的控制氣一般為高壓氣（約5 MPa），在此氣體壓力下，強制作動器內的頂桿迅速運動，推動活閥打開。隨著閥門口徑的增大，頂桿、活閥的快速運動和撞擊，帶來了閥門的動強度問題。因此 對閥門內部閥芯、強制頂桿運動規律的研究越來越重要。
張永彬等基于Adams軟件對一種快速泄放閥的響應特性進行了仿真與分析，得出泄放閥閥芯運動規律和內部氣體壓力變化規律；吳建軍等通過Simulink軟件對抽油泵泵閥進行仿真，得到泵筒內的液體壓力變化規律曲線、泵閥打開高度曲線及泵閥運動速度曲線；余鋒等采用ABAQUS軟件分析了保險閥導向桿斷裂故障，得到導向桿設計動強度不足的故障原因；
孫海亮等研究了充氣開關閥桿斷裂問題，得到閥桿斷裂失效機理；潘英朋等提出了一種低溫氣動閥門方案，并對波紋管等關鍵零件進行了計算和分析；王春民等研究了自鎖閥在振動和沖擊環境下性能變化情況。
本文以某火箭用加注閥為例，對氣動閥門內部運動規律進行了研究，采用AMESim軟件對閥門運動特性進行了分析，確定了閥門內部頂桿和閥桿間的運動關系，并采用非接觸測量手段得到閥門在打開時的活閥運動速度，以驗證仿真分析的正確性。
展開 全新體驗的Fluent Meshing | 在汽車外氣動和熱管理中的應用
FTM執行界面
在上述的前處理流程完成后，可以直接切換到求解器環境中，執行后續的整車外氣動、熱管理以及其他方向的仿真分析。
整車外氣動分析
排氣系統散熱分析
汽車涉水分析
綜上所述，全新體驗的Fluent meshing憑借其強大的非結構化網格生成能力，可對汽車整車空氣動力學和熱管理分析在前處理過程的特定需求提供支持，通過采用更易于自動執行和設置的流程化網格生成模塊：Fault-tolerant mesh (FTM)，配合穩健和高效的Fluent 求解器，實現在統一界面環境下完成整車空氣動力學和熱管理分析。
展開 案例分享 | 氣動彈性協同仿真飛行載荷工具包
MSC 軟件提供了一個強大而可靠的商用計算流體力學和有限元分析解算器協同仿真工具包來實現這一目標。該工具包在很大程度上還實現了仿真過程的自動化。工具包包含許多新方法，可用于：
從多個 scFLOW 計算流體力學分析中提取氣動彈性載荷
將流體載荷應用到氣動彈性 MSC Nastran 模型上作為各種配平條件
將全部 6 個自由度（DOF）的空氣動力載荷耦合到結構有限元分析模型中
圖1：針對本研究的通用無人機模型（由 BAE Systems 公司提供）
圖2：工具包用戶界面中的通用無人機模型
圖3：進行非線性無人機形狀預測時工具包中顯示的機翼偏轉
通過與 BAE Systems 合作，為其創建了一個通用無人駕駛飛行器（UAV）演示項目，用來展示該工具（圖 1）。在工具包用戶界面中（圖 2），可將來自 scFLOW 的計算流體力學結果自動直接映射到 MSC Nastran 的有限元模型上，從而預測氣動彈性效應并實現可視化。
“
長期以來，斯特林公司始終致力于開發獨立的飛機設計工具。與 MSC 軟件和 BAE Systems 合作開展 NATEP 項目是一次絕佳的機會，讓我們能夠進一步增強自身實力并將這些新工具用于未來的飛機設計。
展開 干貨 | ANSYS Fluent氣動噪聲仿真模型解析
圖4 氣動噪聲仿真的注意點
風機氣動噪聲的優化，可通過流場中靜壓、渦量及湍流動能等參數的大小來進行優化預測，然后通過改善導流罩、葉型以及其它參數結構來降低噪聲。可通過DesignXplorer模塊，實現多目標優化（見圖5）。
圖5 Workbench平臺在DesignXplorer模塊及其多目標優化功能
航空發動機整機三維氣動仿真研究進展
仿真結果表明，發動機整機三維仿真所得各項性能參數與單部件設計參數誤差均在6%內（見圖7），且整機仿真所得推力值與設計值非常接近。這說明整機仿真中各個部件是相互耦合、匹配工作的，如果某個部件仿真結果與設計結果偏差大，在整機仿真中累計誤差增大，將造成所有部件偏離預計的匹配設計點工作。
圖7 基于CFX的整機仿真結果
總結整機仿真方面的研究進展可以發現，最早的整機仿真是基于總體程序的仿真，研究機構大都采用基于交界面處理的整機仿真，而軟件公司則熱衷于基于單一程序的整機仿真。基于總體程序的整機仿真以特性仿真程序為基礎，實現難度相對較低，但不能反映交界面的影響；基于單一程序的整機仿真對程序要求高，需要一個程序能夠對各個部件進行精確仿真，實現難度較大；而基于交界面處理的整機仿真可對不同的部件使用針對性的仿真軟件，同時也可以考慮部件間的相互影響，因此被國外研究機構廣泛采納。
中國航發研究院仿真中心氣動仿真研究團隊，針對全三維整機仿真技術開展了大量研究，利用自研的氣動和燃燒仿真軟件，開展壓氣機、渦輪、燃燒室三維計算。隨后，利用PreCICE構建氣動與燃燒三維流場數據實時通信，進行交界面處理，搭建核心機（壓氣機、燃燒室與渦輪）全三維數值仿真軟件，如圖8所示。
展開 使用Fluent進行倒相管的氣動噪聲仿真
使用Fluent進行倒相管的氣動噪聲仿真
氣動噪聲的精確模擬不是一件很容易的事情。汽車行業/飛機行業用得可能會相對較多。
氣動噪聲仿真軟件可以采用Fluent，Virtual Lab（之前叫Sysnoise），ACTRAN等等。 擾動的氣流速度可以用等效電路或其他音箱設計軟件來近似得到。
以Fluent為例說明氣動噪聲模擬的大致思路。首先計算流體的流動，然后在此基礎上計算聲壓。 聲壓是氣壓受到擾動后產生的變化，即氣壓的余壓，相當于在氣壓上的疊加一個擾動引起的壓強變化。 一般情況下不考慮聲壓對流體的反作用。
不同流體計算模型對應著不同氣動噪聲模型。Fluent中常用的寬頻噪聲模型，以及FWH模型，適用于不同的流體模型。 當然下面只是一個粗略的計算，可以算定性半定量的參考。
寬頻噪聲模型
FWH模型
簡單的管噪的頻帶是非常寬且比較均勻的。采用穩態的湍流寬頻噪聲模型簡化計算量是可以接受的。
KEF做的關于倒相管湍流CFD仿真：
JBL發表的倒相管湍流的發展示意圖：
附一個動車的氣動噪聲分布圖
歡迎關注公眾號：揚聲器系統設計與仿真
展開 
基于Ansys的汽車氣動噪聲數值仿真分析實例
隨著車輛性能的提高及高等級公路的建設，車輛的速度越來越快，車輛外流場的氣動噪聲以車速的6次方的數量增長。因而，當車輛的其它噪聲得到有效的控制后，車輛的氣動噪聲就變得尤為重要了。70年代研究人員發現，車速為 70km/h的情況下，氣動噪聲的范圍為62~78dB；而在速度為110km/h的情況下，氣動噪聲的范圍達到80~90dB。新的研究表明，車速超過100km/h，氣動噪聲對車外噪聲的影響己超過了其它噪聲。
數值模擬方法可在新車設計初期的造型階段進行氣動噪聲的預測，為選型及造型參數修改提供依據，從而可以較早地得到較理想的產品，避免產品缺陷。
湍流模型的選擇
氣動噪聲模擬可以選擇幾種不同的數值方法，大渦模擬可以得到精確的模擬效果，但要求生成的網格質量好，計算比較耗時。在產品設計的初始階段，往往需要噪聲的大致分布情況，基于模型的噪聲源方法可以解決這一問題。
模型的湍流動能輸運方程：
湍流動能耗散率輸運方程：
式中：
Gk為平均速度梯度產生的湍流動能
Gb為浮力產生的湍流動能
β為熱膨脹系數
μt 為湍流粘度
σk，σt為k，ε的湍流普朗特常數。
根據經驗，模擬中使用的常數分別取值為：Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=1。
基于公司現在對氣動噪聲的要求，選擇模型是比較適宜的。
模型網格的劃分和計算域的建立
模型是在CATIA軟件上建立的，然后導入ICEMCFD軟件中進行網格劃分。為了提高計算的效率，對模型的底部進行了簡化處理。
根據經驗，流場仿真計算所取的計算域到達一定的大小時，汽車的流場就不再受計算域大小的限制。
展開 設計仿真 | 新型風扇氣動噪聲組合分析方法
本例基于Actran2021.1，采用Lighthill面源方法，將聲源映射到聲學網格上，并完成時域氣動聲源轉成頻域的計算。這項研究的新穎之處在于這一步，其中采用兩個互補的離散傅里葉變換（DFT）設置來精確計算線譜音調和寬頻噪聲，同時避免了由于采樣時間有限而在高頻下出現不切實際的聲壓級波動：
① 對于葉片通過頻率(BPF)及其諧波引起的線譜音調噪聲，使用最小二乘法在整個采樣時間內定義并完成第一個DFT。該方法強制提取用戶設置的頻率。在本研究中，設置為從BPF開始并提取BPF高達1000Hz的每個諧波；
② 對于寬頻帶噪聲，時域數據樣本分解為多個較小的樣本（多重離散傅里葉變換），這些樣本彼此重疊50%，并對每個樣本應用Hanning窗以平滑每個子樣本之間的過渡。在本研究中，原始時域數據被分為78個重疊樣本，每個樣本的持續時間為0.02秒，正好對應50個CFD時間步長。子采樣持續時間為0.02s，最小頻率和頻率步長固定為50Hz。選擇這些參數是為了獲得不包含BPF或其諧波的頻率列表，因此僅提取寬頻帶噪聲的結果。此方法的缺點是沒有對CFD的全部結果進行利用。
通過上面的兩個步驟，便獲得了兩組氣動噪聲：
①一個DFT得到BPF及其諧波的噪聲。
②多重DFT方法得到的寬頻帶噪聲。使用兩組互補的結果，并使用腳本進行合并，就可以獲得組合氣動聲學仿真的總體頻率響應，如圖2所示。
展開 風扇氣動噪聲仿真分享
這種非定常特性不但影響風扇的氣動性能，也會產生明顯的氣動/流致噪聲。
隨著近些年來國內經濟的飛速發展，人們對居住、辦公、駕乘等環境的舒適度要求越來越高。風扇的氣動/流致噪聲，在家用空調的內外掛機、空氣凈化器、吸塵器、吸油煙機、汽車空調等的噪聲中均占據了主要的組成部分。
各相關企業的研發人員，對于研究、預測、降低風扇的氣動/流致噪聲可謂傷透了腦筋。某國外家電大牌的吸塵器等產品動輒大幾千元，其主打的產品特點就是“靜音”。
對于風扇氣動/流致噪聲的預測，或者說在工業領域應用氣動/流致噪聲的仿真分析，一直都存在痛點/難點。
行業痛點
在傳統的基于NS方程的有限元或有限體積法的CFD軟件中，由于數值格式精度上的限制，對于在流場中同時精確求解聲學物理量是非常困難的。
而采用不可壓縮CFD+有限元聲學軟件的混合CAA方法，又面臨著計算量龐大，并行效率低，學習成本高的問題。
那么如何解決這個問題呢？
展開 Fluent實用案例 | 重疊網格UDF撲翼機氣動仿真
本案例利用Fluent重疊網格與UDF,對撲翼機的氣動特性展開仿真。該案例所用模型為假設模型，僅作計算設置參考。通過此案例后續可以對進一步添加udf代碼與更換模型，實現更為復雜的撲翼機運動，對其展開氣動仿真計算。
1 UDF說明
在本研究中采用重疊網格模型對撲翼機撲翼運動進行模擬。本案例選擇DEFINE_CG_MOTION進行定義，omega[0]代表z軸旋轉方向，本案例設計翼型上下擺動18°，相關的UDF代碼如下：
C
#include "udf.h"
#include "mem.h"
#include "dynamesh_tools.h"
DEFINE_CG_MOTION(pyj, dt, vel, omega, time, dtime)
{
NV_S(vel, =, 0.0);
NV_S(omega, =, 0.0);
omega[0]=0.314*cos(2*3.14*time);
}
2 workbench 設置
本案例需要設置如下三個模塊的計算，其中包括背景網格區域、前景網格區域與fluent計算三個部分，具體設置如下圖 ：
3 SCDM 設置
3.1 導入幾何
整體幾何結構如下圖:撲翼機翼型采用NACA0012，具體的幾何結構如下圖，x軸正向為壓力出口，負軸位速度入口，撲翼機表面為壁面，其余面位對稱面。重疊網格區域為內部圓柱區域。
撲翼機運動翼型命名為naca，靜止區域命名為bird。
4 Fluent Meshing 設置
4.1 網格設置
采用 SCDM 進行網格劃分，背景網格與前景網格皆采用六面體網格劃分，并劃分相對應的邊界層網格。
展開 