熱-光耦合仿真的案例
SigFit—光-機-熱耦合分析工具
? 光程差分析：
包括熱光分析、應力光學分析及氣動光學分析三大類。利用有限元分析/流體分析得到的應力、溫度分析結果/流體的密度分析結果，根據溫度、應力、密度與折射率之間的關系，計算得到對應的光程差及雙折射等光學特性。
該模塊提供了熱光分析、應力光學分析、氣動光學分析的實現途徑，在設計階段對熱、應力、氣體密度通過影響光學系統的折射率對光學性能帶來的影響進行分析，對于光學成像鏡頭組有重要的意義。
應用&案例
? 分析對象：攝像鏡頭組
? 分析目的：在熱載荷作用下，通過優化，得到滿足成像條件的設計參數
展開 SigFit—光-機-熱耦合分析工具
? 光程差分析：包括熱光分析，應力光學分析及氣動光學分析三大類。利用有限元分析/流體分析得到的應力、溫度分析結果/流體的密度分析結果，根據溫度、應力、密度與折射率之間的關系，計算得到對應的光程差及雙折射等光學特性。該模塊提供了熱光分析、應力光學分析、氣動光學分析的實現途徑，在設計階段對熱、應力、氣體密度通過影響光學系統的折射率對光學性能帶來的影響進行分析，對于光學成像鏡頭組有重要的意義。
應用&案例
分析對象：攝像鏡頭組
分析目的：在熱載荷作用下，通過優化，得到滿足成像條件的設計參數
展開 基于Rsoft多物理場耦合的熱光調制模擬
大家好，今天我分享的案例模型是一種基于光耦合器的熱光調制光開關模型。是基于rsoft軟件中beam模塊耦合熱光調制物理場而展開模擬研究的。
圖1 熱光調制光開關基本幾何模型
其中加熱電極為鋁電極，具體配置的材料參數圖示如下圖2所示：
圖2鋁電極材料設置參數
其中參數WA,PxA均為參數變量，可自行設定控制波導所在位置。由于熱光調制效應需要涉及到物理場熱光效應模塊，因此對于波導、鋁電極材料分別進行相應材料參數設定。具體如下圖3所示
圖3 波導材料及鋁熱電極熱光材料參數設定
在完成多物理場耦合設置后，進行物理場模擬運算，運算結果如下所示，由于溫度的變化導致波導表面的折射率發生相應的改變：
圖4 溫度變化導致波導表面處有折射率變化
圖5 熱光調制光開光結果圖
如圖5所示，為耦合式光開關調控光場的模擬示意圖，藍色為入射光波導中的光監測能量，綠色為耦合端波導的耦合光能量。因為加熱電極對耦合器的熱光調制作用會使得入射光端處的光能量更顯著一些，而耦合端的光能量較低。因此可實現光開關的閉合和通路的作用。
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展開 SimSolid熱分析及熱固耦合案例講解 衡祖仿真
⑦查看結果：位移&應力
SimSolid中可以通過設置溫度、熱通量、體積熱和對流4種邊界條件設定熱分析場景，并且可以設定每個接觸面的傳熱屬性。在熱分析結束后，通過將前一步結果的溫度場，作為熱載荷施加到線性靜力分析當中，可以進行熱固耦合分析，以得到熱應力及其位移結果。
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生局部過熱，影響變壓器的運行穩定性和服役壽命。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意義。
重慶大學的技術團隊經過多年積累，在高壓設備和絕緣技術方面積累了深厚的經驗。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構基礎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合仿真計算，在電力變壓器模型中實現對含有復雜絕緣油通道、大量流固耦合邊界的網格自動優化和高效耦合迭代。在仿真獲得的流體結果中，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節；在溫度結果中，可以查看變壓器內部整體溫度分布，從中了解熱點位置和發熱情況。
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態溫度分布
電力變壓器流熱耦合仿真的結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測溫度，工程師可結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警或檢修等判斷；二是開展設備部件運行性能參數的分析，如絕緣油和絕緣紙老化性能等。
展開 三維電纜電-熱耦合仿真 ￥500
圖1 幾何模型
電纜結構中考慮了以下結構層及材料的定義：
基于COMSOL軟件中的電- 熱耦合相關模塊，數值仿真得到了電纜的電勢分布和溫度場分布，仿真結果如圖所示：
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電磁爐加熱過程電磁-熱耦合仿真
圖6 電磁熱耦合載荷傳遞量類型圖
04
仿真結果
電磁場計算結果
INTESIM計算得到線圈的電流密度如圖7所示。
圖7 線圈的電流密度
INTESIM計算得到鍋體底部的渦流密度如圖8所示。
圖8 鍋底的渦流密度
電磁爐的鍋體底部熱損耗如圖9所示。
圖9 鍋體底部熱損耗
熱場計算結果
查看整體的溫度分布如圖10所示。
圖10 整體的溫度分布
查看鍋體底部的溫度分布如圖11所示。
圖11 鍋體底部的溫度分布
查看陶瓷的溫度分布如圖12所示。
圖12 托盤的溫度分布
05
總結
本案例使用INTESIM軟件，基于渦流場分析、熱場分析和非匹配網格映射插值等功能，實現了電磁-熱耦合分析求解。仿真計算得到的熱損耗和溫度結果與對標軟件結果基本吻合。本案例驗證了INTESIM多物理場仿真模塊中的電磁-熱耦合仿真功能，對渦流場分析和熱場分析及耦合仿真進行應用驗證，能夠為廣大用戶在電器領域中的電磁場、熱場耦合仿真應用提供可行方案。
文章來源: 英特仿真INTESIM
展開 航空發動機整機流固熱耦合仿真
隨著計算流體力學的發展以及計算性能的提升，對航空發動機整機仿真成為了可能，本教程對KJ66航空發動機進行整機仿真，整機仿真結合氣動、傳熱、燃燒、多相流、固體應力，將航空發動機從冷態計算至熱態，即仿真始于冷態，終于熱態。
KJ66航空發動機幾何模型如圖，對航空發動機氣熱彈耦合仿真，計算采用穩態，氣動的計算采用求解粘性N-S方程的方法，燃油的噴射計算采用拉格朗日多相流，燃燒的計算采用有限速率的渦耗散模型，流體與結構的相互作用(FSI)采用雙向耦合的方式。
流體結構相互作用 (FSI)是指一種耦合的表面問題，其中流體模型的狀態取決于結構模型的狀態，反之亦然。這種相互關系可以是對稱或非對稱的。非對稱問題通常指單向耦合問題，表示其中一個模型是獨立的，另一個模型則具有關聯性。
流體結構相互作用(FSI)耦合交界面處的對應流體和固體移動時運動學特性（位置、速度和加速度）相同，受到的力也相同。
從流體傳遞到固體的信息是流體拉力，它由流體壓力和壁面剪切應力組成的。此傳遞發生在耦合壁面邊界流體-結構交界面）上。
從固體傳遞到流體的信息是固體的變形，尤其是流體-結構交界面的變形。
一般情況下，FSI模擬在運動學和力方面保持一致，稱為雙向耦合，在STAR-CCM+中，雙向耦合FSI問題是指從流體到固體和從固體到流體的交換的綜合采用并行求解方法。
進行航空發動機整機氣熱彈耦合仿真的STAR-CCM+版本為STAR-CCM+ 2206.
將航空發動機整機從冷態模型計算至熱態模型后發動機伸長約1mm。
詳細計算結果如下：
速度
溫度
溫度
位移
固體應力
文章來源：STAR CCM仿真學堂
展開 軸流式血泵熱流耦合 溫度場仿真
2.血泵熱流耦合溫度場仿真
血泵各部分與血液的接觸面存在對流換熱，考慮到兩者的耦合關系，流體仿真時需要把固體以及固體熱源加入到流體仿真軟件中，從而將血液與血泵的對流換熱數值加載到固體溫度場仿真的邊界條件中，實現血泵三維溫度場的仿真求解分析。
血泵三維整體模型分為兩個部分，一個是驅動電機部分：包括定子鐵芯、定子繞組、永磁轉子以及定子外殼；另一個是血液流動區域：包括前后導輪及其導葉、旋轉葉輪、軸承以及泵殼。血泵結構如圖1所示。
圖1 軸流血泵整體結構
利用商用流體仿真軟件進行相關邊界條件的設定，主要包括材料屬性、湍流模型、進出口邊界條件、轉速以及對流換熱系數等，其中血泵各部分的材料特性參數如表1所示。各部分熱源的生熱率通過商用熱仿真軟件計算，并與流體仿真模塊進行耦合。
展開 剛柔耦合仿真分析流程及要點熱 ￥1
本文主要介紹使用SolidWorks、HyperMesh、ANSYS和ADAMS軟件進行剛柔耦合動力學分析的主要步驟。
一、 幾何建模
在SolidWorks中建立幾何模型，將模型調整到合適的姿態，保存。此模型的姿態不要改動，否則以后的MNF文件導入到ADAMS中裝配起來麻煩。
二、ADAMS動力學仿真分析
將模型導入到ADAMS中進行動力學仿真分析。
為了方便三維模型的建立，SolidWorks中是將每個零件單獨進行建模然后在裝配模塊中進行裝配。這一特點導致三維模型導入到ADAMS軟件后，每一個零件都是一個獨立的part，由于工作裝置三維模型比較復雜，因此part數目也就相應的比較多，這樣就對仿真分析的進行產生不利影響。下面總結一下從三維建模軟件SolidWorks導入到ADAMS中進行機構動力學仿真的要點。（1）首先在SolidWorks中得到裝配體。（2）分析該裝配體中，到底有幾個構件。（3）分別隱藏其他構件而只保留一個構件，并把該構件導出為 *.x_t 格式文件。（4）在ADAMS中依次導入各個*.x_t 文件，并注意是用part的形式導入的。（5）對各個構件重命名，并給定顏色，設置其質量屬性。（6）對于產生相對運動的地方，建議先在此處創建一個marker，以方便后面的操作。否則，三維模型進入ADAMS后，線條繁多，在創建運動副的時候很難找到對應的點。
展開 紅外加熱爐冷卻通道設計及熱-流耦合仿真 ￥1000
紅外加熱爐是一種利用紅外輻射技術進行加熱的熱處理設備。它通過將電能轉化為紅外輻射能量，直接將熱能傳遞給物體，達到加熱的目的。紅外加熱爐的工作原理是基于物體對紅外輻射的吸收。紅外輻射能量可以被各種物體直接吸收并轉化為熱能，而無需通過傳導或對流來傳遞熱量。當物體暴露在紅外輻射源附近時，紅外輻射能量被物體吸收，使物體內部溫度升高。
本案例設計建立了一紅外加熱爐，并對模型進行了一定的簡化處理，基于COMSOL軟件的多物理場耦合相關模塊，仿真了爐內物體的加熱和冷卻過程。模型圖和仿真結果如下所示：
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基于PERA SIM的泵蓋熱結構耦合仿真分析
摘要：本文基于PERA SIM Mechanical通用結構仿真軟件建立了泵蓋熱結構耦合仿真的過程，從導入幾何模型開始，到劃分四面體網格、賦予模型不同的材料參數、施加邊界條件和載荷過程，以及分析求解設置，最終得到泵蓋熱變形與熱應力的分析結果，對泵蓋的結構強度設計提供指導建議。
關鍵詞：泵蓋；熱結構耦合；熱變形；熱應力
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1.引言
通過熱結構耦合仿真分析，可以深入理解泵蓋在高溫環境下由于熱膨脹和收縮而產生的熱應力。這些熱應力可能導致泵蓋結構變形、疲勞甚至失效。同時預測泵蓋結構熱變形，對于確保泵蓋與其他部件的配合精度和密封性能至關重要。此外，根據仿真分析的結果，可以對泵蓋的結構設計進行優化，例如增加筋板、改變壁厚或材料配置等，以提高其抗熱應力和抗變形能力。
本文基于PERA SIM Mechanical仿真分析軟件建立了泵蓋熱結構耦合仿真的過程，從導入幾何模型開始，到劃分四面體網格、賦予泵蓋材料參數、施加溫度和靜力載荷與邊界條件，以及設置熱結構耦合仿真分析參數，最終得到泵蓋熱變形與熱應力分析結果。分析得到的熱變形結果和熱應力結果，對泵蓋的結構優化設計、壽命評估、密封性能都具有一定的指導意義。
2.問題描述
本文研究對象為泵蓋，主要用于工程機械中需要密閉的箱體結構中，實現傳遞載荷、提供支撐以及保護箱體內部零部件的作用。在使用過程中，利用密封圈和螺栓進行密封和連接裝配。
3.計算結果分析
3.1 模型建立及簡化
泵蓋幾何模型文件格式為x_t，直接導入PERA SIM Mechanical中。
展開 AnsysWB匯流排電-熱耦合仿真 ￥10
用于仿真的幾何形狀包含一個單元的耦合組件，以及一段連接到電源的
槽間母線板。它由陽極頂部和四個中心柱組成，柱上固定著銅棒和銅條。
施加直流電流及溫度，以及對流散熱等邊界條件。
整車熱管理的一維與三維耦合仿真
同時建立了三維整車熱管理數值模型和發動機及其冷卻系統的一維數值模型。發動機艙內流場及其換熱特性三維仿真獲得的對流換熱系數和換熱量,可用來在發動機及其冷卻系統的一維仿真中算出冷卻系各部件的溫度;這些又可作為三維仿真的邊界條件,去更新發動機艙的熱流特性。如此反復迭代直至收斂。這樣的一維和三維耦合仿真分析,為樣機制造前整車熱管理的仿真提供了一種有效的方法
整車熱管理的一維與三維耦合仿真.pdf
展開 仿真咨詢實戰：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。由于模型中部分區域發生了沸騰，非沸騰態下的換熱公式不再適用于計算沸騰態下的換熱量，因此需要對模型的換熱系數進行修正；接觸熱阻程序實現的功能是根據接觸面之間的實際接觸面積、接觸表面的材料、接觸面間隙中介質的導熱系數和接觸面的壓力計算接觸面的接觸熱阻；對于已知的位移結果，可以在二維坐標系下可以將該平面內的位移進行傅立葉分解，展開成多階傅立葉級數。
SOLUTION
主要技術挑戰：
沸騰修正涉及結構模型和流體模型之間網格的插值和數據傳遞；
接觸熱阻公式較復雜，涉及物理量較多；
位移傅立葉分解計算較復雜；
解決方案：
開發沸騰修正模板，實現插值和模型修正功能；
開發接觸熱阻模板，實現熱阻公式的計算；
開發位移傅立葉分解模板，實現位移的傅立葉分解，并合并各階結果；
提供豐富的參數輸入和輸出界面；
結論：
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，已經直接集成在柴油發動機仿真分析模板系統中，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，歡迎聯系溝通：
400-6600-388
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