流固共軛傳熱
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
流固共軛傳熱的視頻教程
流固共軛傳熱的實例教程
圖8 不考慮流固共軛傳熱溫度分布:
(a) 24° (b) 48° (c) 72° (d) 96° (e) 120°
下圖為考慮流固傳熱情況下，5個曲軸角度下轉子的壓力云圖。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。
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%。可以看出，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。
展開 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。
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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。可以清晰地得到流體溫度場、壓力場、速度場及固體溫度場變化。附件為cae及inp
對傳統CFD軟件而言，如果預留的最小間隙與實際情況一致，會導致動網格生成失敗，或使網格質量下降、網格總數急劇增加，因此對于螺桿壓縮機的CFD模擬幾乎成為不可能的任務；
由于流體側和固體側傳熱相互影響，進行溫度場計算時，無法確定流固交界面的邊界條件，因此需要考慮流固共軛傳熱，將流固之間難以確定的邊界條件，轉換成耦合計算的內部邊界，使計算更符合實際工況；
模型需考慮流固共軛傳熱，流體為理想氣體；固體包括機殼、陽轉子和陰轉子等部件，需要仿真軟件具有高效的前處理能力，可以快速實現建模與計算；
由于螺桿壓縮機運動的復雜性，需要構建高質量的網格并設置動網格，這對于傳統CFD軟件是一個較大的挑戰；
需要同時考慮穩態、瞬態以及傳熱等，對于CFD軟件的求解能力要求較高；
流體域計算與固體域計算時間相差較大，如何更好地實現流固共軛傳熱仿真，對于傳統CFD仿真難度較大。
3 Simerics-MP+解決方案
鑒于上述螺桿壓縮機流固共軛傳熱分析幾何模型、物理現象和運動的復雜性，對CFD分析軟件的選取提出了較高的要求。
展開 FLUENT流-固-熱耦合分析
ANSYS FLUENT軟件自V2019版本起，新增了Structure結構求解功能，能夠基于Fluent軟件進行簡單模型的結構應力、變形分析，具備線性及非線性結構分析功能。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，閥板內給定體積熱源為2000000w/m^3；
閥瓣模型材料參數：
密度：2700kg/m^3；
比熱：871J/kg.K；
熱傳導系數：202W/m^2.K；
楊氏模量：2.5E7Pa；
泊松比：0.37；
2 網格劃分
本案例網格基于ANSYS ICEM CFD進行全六面體網格劃分，網格如下圖所示：
流體區域：480000六面體網格；
固體區域：3800六面體網格。
3 FLUENT求解設置
求解計算分兩步完成，首先不考慮結構變形對流體-固體進行穩態共軛傳熱分析，然后基于上一步仿真計算結果考慮流固耦合作用實現瞬態流-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，讀入網格文件vavle_test.msh；新版本顯式界面如下：
? 新版本的FLUENT軟件默認選擇k-w sst湍流模型，本案例不做修改；
? 激活能量方程
? 邊界條件設置
1）固體區域熱源：2000000W/m^3；選擇對應的固體區域，勾選source terms加載能量源項。
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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。
對傳統CFD軟件而言，如果預留的最小間隙與實際情況一致，會導致動網格生成失敗，或使網格質量下降、網格總數急劇增加，因此對于螺桿壓縮機的CFD模擬幾乎成為不可能的任務；
由于流體側和固體側傳熱相互影響，進行溫度場計算時，無法確定流固交界面的邊界條件，因此需要考慮流固共軛傳熱，將流固之間難以確定的邊界條件，轉換成耦合計算的內部邊界，使計算更符合實際工況；
模型需考慮流固共軛傳熱
容積式壓縮機內部涉及到可壓縮的高流速動與多相流，由于相間作用復雜、界面捕捉困難、氣液比高等問題，通過仿真解決壓縮機內部的多相流問題存在較大困難，另外壓縮機運行過程中存在的共軛傳熱、流固耦合等問題，均對CFD求解器在求解設置和收斂性上有較高要求。
通過比較在有和沒有考慮共軛傳熱情況下的模擬結果，評估了流固共軛傳熱對雙螺桿壓縮機性能的影響。該研究證明了本文所使用的方法是有效、快速和友好的，可以很容易地應用于工業壓縮機系統。
容積式壓縮機內部涉及到可壓縮的高流速動與多相流，由于相間作用復雜、界面捕捉困難、氣液比高等問題，通過仿真解決壓縮機內部的多相流問題存在較大困難，另外壓縮機運行過程中存在的共軛傳熱、流固耦合等問題，均對CFD求解器在求解設置和收斂性上有較高要求。
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Ansys Discovery 2022 R1在熱管理的關鍵領域新增了流-固-熱共軛傳熱實時仿真功能，進一步豐富了Discovery強大的實時仿真功能，用戶界面再次實現了效率提升，為從CAD到仿真的無縫連接的工作流提供了更高的自動化水平。
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3月10日 | Ansys Discovery 2022 R1新功能介紹
簡介：Ansys Discovery 2022 R1在熱管理的關鍵領域新增了流-固-熱共軛傳熱實時仿真功能，進一步豐富了Discovery強大的實時仿真功能，用戶界面再次實現了效率提升
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