數值-實驗混合方法的案例
混合攪拌器數值分析的實現方法
總結了前幾天在網上找到的一個旋轉機械的模擬方法，該方法能夠實現攪拌器葉片自轉和公轉的模擬，幾何模型建立得比較簡單，如下所示，分為3個區域，FLUID-WAI，FLUID-MID，FLUID-IN，后兩個域以設置的速度進行轉動，旋轉軸不同，分別設置響應的旋轉軸，需要找到響應旋轉軸的旋轉中心，兩個域采用MESH MOTION來模擬，需要注意的是在設置FLUID-IN（也就是最內部葉片旋轉的區域）時，需要選擇RELATIVE TO CELL ZONE 為FLUID-MID，是為了實現局部坐標系的實現，通過該方法實現運動較為復雜的旋轉機械的數值分析。
展開 鋰離子電池組液冷測試系統的數值-實驗方法設計
與風冷和 PCM 相比，液冷方法通常被設定為基準并廣泛應用于汽車行業，鋰離子電池 (LIB) 組的液體冷卻系統 (LCS) 對于延長電池壽命和提高電動汽車 (EV) 可靠性至關重要。
02
成果掠影
近期，上海理工大學Lei Sheng團隊將電池組的熱分布控制在每個新設計的 LCS 的理想水平內，建立了專用實驗平臺和LCS模型以及EV動力學模型，以精確確定組件的最佳匹配參數和系統的運行控制策略。結果表明，在常規條件下，實驗與模擬之間的偏差在 3.0% 以內。更高的流量和更低的入口溫度導致更低的電池溫度，同時延遲冷卻干預可以降低功耗20%左右。采用響應面法結合遺傳算法Ⅱ進行多目標優化，進一步降低功耗2750W，正常1C放電時電池溫度30.83℃ 。此外，本優化還展示了驅動循環下電池溫度和功耗之間的良好平衡解決方案。結合實驗和仿真，這項工作對于為 EV 的 LIB 包設計一個優秀的 LCS 是有價值的。相關研究成果以“Numerical-experimental method to devise a liquid-cooling test system for lithium-ion battery packs”為題發表于《Journal of Energy Storage》。
03
圖文導讀
圖1 LCS結構圖：LCS(a)原理圖；(b)袋電池模塊。
展開 混合懸浮液中顆粒的沉降數值模擬 ￥1500
<p>本案例基于COMSOL軟件仿真了管中內合懸浮液受到重力作用下的顆粒自由沉降過程，仿真結果如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202208/619931c1eb234fabb9b2b5a4a8200bc5.gif" alt="Untitled.gif"></p><p>感興趣的朋友，歡迎交流合作</p><p><br></p>
展開 土石混合體多相多物理場耦合數值仿真 ￥5000
本案例建立了一土石混合體結構，如圖1所示?；贑OMSOL軟件對土石混合體進行了數值仿真，考慮了土石混合體孔隙變化，細顆粒侵蝕，骨架結構變形，此問題是一個多場（滲流場、變形場、應力場、損傷場）多相介質（土顆粒集合體，塊石，空隙，孔隙）耦合的復雜問題。仿真結果如圖2所示。
圖1 幾何模型
顆粒運動分布
應力分布
孔隙滲流下的細顆粒遷移運動
圖2 數值仿真結果
感興趣的朋友可下載模型源文件，歡迎合作交流
Fluent隱射式冷熱水混合換熱器的數值模擬 ￥10
1、問題描述：隱射式冷熱水混合換熱器中，冷水自左側管道入口流入，經漸縮管道后，加速通過，同時壓強降低。在管道喉部產生真空度，將熱水管道中的熱水吸入主管道，冷熱水混合后，經右側管道流出。
2、模型建立如下：
3、網格劃分結果如下：
4、部分計算結果如下：
Z=0平面上的壓力云圖
Z=0平面上的總壓
X=-0.01、-0.005、0、0.005、0.01處的壓力分布
付費部分有詳細操作教程及結果分析
展開 數值計算|基本思想及常用數值方法
導讀：介紹數值計算的基本思想及常用方法。
基本思想
數值計算就把原來空間及時間坐標上連續的物理場（速度場、溫度場、壓力場等），用一系列有限個離散點（節點）上的值的集合來代替，通過離散方程建立這些離散點上變量值之間的關系，求解這些離散方程，最終獲得所求解變量的近似值。具體流程如下圖所示。
數值方法
1.有限差分法（FDM，finite difference method）
將求解區域用與坐標軸平行的一系列網格線條的交點所組成的點的集合來代替。
每個節點上，將控制方程中每一個導數用相應的差分表達式來代替，從而在每個節點上形成一個代數方程。
每個方程中都包括了本節點及其附近一些節點上的未知值，求解這些代數方程就獲得了所需的數值解。
缺陷：數值解的守恒性無法保證、復雜幾何的適應性。
2.有限容積法（FVM，finite volume method）
計算區域劃分為一系列控制容積，每個控制容積都有一個節點來代表。
通過將守恒型的控制方程對控制容積做積分來導出離散方程
導出過程中，需要對界面上被求函數本身及其一階導數作出假定，這種構成方式就是有限容積法中的離散格式。
展開 汽車正撞的數值模擬及實驗驗證
4結語
1) 模擬計算與實驗的對比分析表明了所建立的模型是正確的，可以用于模擬實際的汽車的碰撞過程，但模型還有待于進一步的改進和完善。
2) 采用了非線性有限元與多剛體動力學相結合的分析方法，得到了結構的變形情況和假人的運動響應，比單純采用有限元的方法要方便，迅速。
3) 提出了實驗與模擬計算相結合的分析方法，可以用于輔助新產品的開發設計和產品改進。
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電動汽車綜合熱管理系統實驗與數值模擬研究
例如，為了提高電池在低溫下的電化學性能，先前的研究已經開發了多種加熱策略，主流技術可分為內部加熱方法和外部加熱方法。當前，我們應該進一步揭示低溫加熱過程中對電池電化學性能恢復和內部傳熱的影響。熱管理系統是電動汽車的關鍵系統組件，具有低溫加熱和高溫散熱雙重功能的開發設計將是未來電池熱設計的重要趨勢。
02
成果掠影
近期，河北工業大學能源與環境工程學院饒中浩教授團隊提出了一種集成電池熱管理系統（IBTM），它包括散熱和低溫加熱功能。在一體化結構設計中，復合相變材料由于潛熱大，CPCM（CPCM）具有很強的吸熱能力，而薄的聚酰亞胺加熱膜（PHF）可以方便地組裝到電池模塊中。實驗和仿真結果驗證了采用連續脈沖預熱結合電池低功率自預熱的加熱策略，電池模塊的電化學性能可以獲得良好的可恢復性。與常溫10℃相比，充放電電池模塊容量分別恢復至92.1%和93.3%。此外，散熱性能測試結果也表明IBTM具有出色的溫度控制和均勻能力。電池模組最高溫度和最大溫差始終分別控制在52℃和1.8℃以內。研究成果以“Experimental and numerical simulation study on the integrated thermal management system for electric vehicles”為題發表于《Journal of Energy Storage》。
03
圖文導讀
圖1 a)基于CPCM結合PHF的集成熱管理系統原理圖，b)單個PHF包裹電池。
展開 【數值與實驗分析】某型潛艇螺旋槳尾流特性
在無滑移條件下，邊界處采用基于壁面定律的壁面建模方法。方程在旋轉網格上求解，即方程沒有轉換到旋轉參照系。
使用的圓柱形計算域為：
葉片周圍的網格如圖2，構建的兩個計算網格分別為2.6和4.5 Mcell (1 Mcell =106cells)。計算域的主體部分由四面體單元網格劃分，在邊界層中插入了許多棱柱型單元層。
圖2 在刀片上及周圍的網格
03 結果分析
（1）性能特點
對螺旋槳敞水的性能特性進行了實驗和數值分析。實驗在INSEAN拖水池N.1（即長470m，寬13.5m，深6.5m），使用Cussons R46螺旋槳專用試驗臺，最大推力700N，最大扭矩40Nm，最大轉速2500rpm，平均葉片雷諾數(參考70%半徑處的截面)約為230000。采用兩種不同網格密度的LES進行CFD分析，分別為2.5Mcell和4Mcell單元，推進比為J=0.74和J=0.85。如圖3，數值模擬很好地體現了推進比兩值處的螺旋槳推力和扭矩系數。
展開 【CAE案例】空氣噴泉實驗中氣體分層破壞現象的數值研究
下層三條曲線的變化趨勢與實驗數據相同，但與實驗數據間的偏差大于上層。計算結果與后期的實驗數據相比皆偏大，說明氦的總質量略大于實驗數據。這可能是因為在數值計算中沒有氣體泄漏。
2. 分子擴散狀態：空氣注入
因為時間步長選擇0.1s時，網格粗細對結果有振蕩的影響，因此為了避免振蕩，選擇最細的網格。空氣注入時間為360~660s。
階段一：t=300~360s
在這個階段，空氣還沒注入，系統處于自由擴散狀態；
階段二：t=360~362s
空氣注入的前兩秒期間（v=2.803m/s），高速的空氣直接流入盒子的頂部（較高的位置相對密度瞬間大幅度下降，速度分布見FIGURE 6）；
階段三：t=362~660s
空氣噴泉在z=0.85m高處形成上下兩個漩渦（FIGURE 7）：上渦流將高密度的氣體從下部夾帶入上部，從而導致上部區域的密度增加；下渦流將低密度氣體從上部帶入下部，從而導致下部區域密度增加。
階段四：t=660~1200s，自由擴散過程。在這個過程中，氣體分布逐漸平衡，分層重新出現。
04 研究結論
本文利用CFD通用仿真方法對空氣噴泉實驗中的氣體分層破壞現象進行了數值研究。數值研究包括初始條件的驗證（自由擴散狀態）、時間步長的靈敏度試驗、網格尺寸的靈敏度試驗和空氣噴泉試驗的最終數值計算。對初始條件的數值模擬表明了氣體分層現象的結果。這個結果驗證了CFD通用仿真軟件中的浮力驅動流模型和混合氣體模型，為后續計算奠定了良好的基礎。通過網格尺寸靈敏度試驗，得到了數值模擬的最佳參數和網格。最終計算結果顯示了空氣噴泉氣體分層破壞現象的過程。一開始，空氣直接注入到氣體分層區。注入后，流動由浮力和分子擴散驅動。
展開 雙盤懸臂轉子軸承系統碰摩故障數值仿真與實驗分析
雙盤懸臂轉子軸承系統碰摩故障數值仿真與實驗分析<BR><Font color=#FF0000><B>.PS.:</B>該帖附件于2006-10-13 17:51:39被hawk評為5星級，為發貼者加分100。</Font><BR><Font color=#FF0000><B>點評:</B></Font>
雙盤懸臂轉子軸承系統碰摩故障數值仿真與實驗分析.pdf
室內流場與溫度場的實驗測定及數值模擬
CDF 技術及其商業軟件的發展使人們可以用數值模擬的方法預測室內熱環境，評價通風效果，改進空調送回風系統的設計，在提供舒適的室內環境的同時，進一步降低能耗。為了對數值計算結果進行檢驗，在某室內送回風節能,氣流組織模擬實驗室中對空調工況下的氣流組織和溫度分布進行了實驗測定，并采用商業軟件Airpak 對房間內的速節能,速度場、溫度場進行了數值模擬。在數值計算中采用k?ε方程作為紊流模型，以現場實測數據作為邊界條件，計算結果與實測數據吻合較好。結果表明，采用商業軟件對空調工況下室內送回風氣流組織與溫度分布的數值模擬可以獲得較準確的室內流場、溫度場及空氣年齡的詳細數據，從而可以對整個空調通風效果進行全面評價，以改進空調系統。
室內流場與溫度場的實驗測定及數值模擬.pdf
展開 IGBT用3D復合熱管散熱器的數值模擬與實驗驗證
圖2 3D復合熱管熱流循環示意圖
3 數值仿真及實驗
3.1 仿真建模
由于熱管的傳熱存在復雜的相變（汽態-液態-汽態）情況，因此若要通過數值分析方法對熱管的傳熱進行分析，將涉及到復雜的計算流體動力學分析，熱管的內部結構使得流體的邊界條件十分復雜，而且真空的內部傳熱情況無法實驗驗證。因此對其進行真實建模是無法做到的。
本文根據熱管的導熱機理，將結構復雜的熱管用具有很大熱傳導系數的簡單導熱體來近似，將基板和FHP的導熱系數分別設置為：Kx=30000w/m.k；Ky=30000w/m.k；Kz=400w/m.k，以等效簡化熱傳導仿真模型，物理模型如下圖3所示，結構框架尺寸為：490mm*290mm*400mm，其FHP厚度4.2mm。
圖3 3D復合熱管散熱器結構模型
3.2 控制方程
流體與傳熱一般要遵循三個最基本的守恒定律：質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。
（1）質量守恒方程
（2）動量守恒方程
（3）能量守恒方程
其中，u、v、w是速度矢量V在直角坐標系x、y、z方向上的三個分量；為流體的粘性系數；p 為流體微團所在處的靜壓力；Fx、Fy、Fz是體積力在x、y、z方向上的分量；?為流體的導熱系數；cp為流體的定壓比熱容。對于不可壓縮粘性流體的層流及湍流流動都適用。
3.3 數值模擬
本文通過CFD軟件進行數值模擬，初始條件為：（1）環境50℃、3000m海拔；（2）單個IGBT模塊的熱耗P=2992W；Rjh=（3）選擇抽風方式，風機選用德國施樂百RH40M型號，PQ曲線如下圖4所示：
圖4 RH40M風機PQ曲線示意圖
3.4 模擬結果
如下圖5、圖6所示，3D復合熱管散熱器溫度場、壓力場、速度場均已收斂平衡，此可確保仿真結果。
展開 2025大賽優秀作品 | 基于Ansys Fluent的電子膨脹閥空化特性數值與實驗研究
本研究通過 Ansys Fluent 數值分析，探究不同開度下制冷劑進入閥內的空化特性，以闡明電子膨脹閥流動誘導噪聲的產生原因。為此設計了帶閥芯凹槽結構的電子膨脹閥，并對閥門流動噪聲進行實驗對比分析。結果表明：隨閥開度增大，制冷劑流量、氣相比例和湍動能均減?。幌嗤r下，優化模型的最大噪聲水平較原模型降低 10.3%，顯著低于原模型的最大峰值。
挑戰/需求
作者所在機構希望通過仿真工具探究電子膨脹閥不同開度下制冷劑的空化特性，靈活更改閥開度及閥芯結構，模擬開度和結構變化后空化現象、流量、氣相比例、湍動能及流動噪聲的變化；仿真結果需與實驗結果相近，從而為電子膨脹閥的結構優化和降噪設計節約時間與成本。
使用工具
Ansys Fluent
最終成果
優化設計的電子膨脹閥閥針造型，可以使電子膨脹閥工作過程中最大噪聲水平顯著降低
該研究利用 Ansys Fluent 完成了不同開度下電子膨脹閥內制冷劑空化特性的數值模擬，結合實驗對比分析，明確了開度對流量、氣相比例、湍動能及噪聲的影響規律；設計出帶閥芯凹槽的優化模型，其最大噪聲水平較原模型降低 10.3%，獲得了空化與噪聲關聯的可靠數據，為電子膨脹閥降噪設計提供了依據。
參賽作品一覽
展開 使用數值解和解析解擬合實驗室煤粒解吸擴散數據
通過解析解擬合實驗室煤粒解吸數據，可以獲得擴散系數。煤芯中孔徑不一，一般采用平均粒徑代替煤芯的粒徑，在計算過程中會出現一定誤差。采用數值模擬的方法，可以探究不同粒徑下煤粒的擴散系數，比較數值解和解析解的差異性。本文借助comsol數值求解，通過優化擴散系數，使其匹配煤粒解吸擴散數據，進而獲得煤粒擴散系數。
單孔擴散模型邊界條件的解析解為：
COMSOL中建立的煤粒解吸幾何模型：
數學方程采用菲克第二定律：
其中C為煤粒中甲烷濃度，
解吸速率可表示為：
利用comsol中非局部耦合體積分，可以獲得解吸速率。其中p0為煤粒中初始甲烷壓力、pa為大氣壓，0.1MPa。
1min甲烷濃度分布
5min甲烷濃度分布
上圖為數值解、解析解、實驗數據之間的擬合關系，解析解、數值解獲得的煤粒擴散系數分別為1.52×10-12m2/s、1.32×10-12m2/s。利用comsol的優化模塊，可以更準確的擴散系數，也可分析不同粒徑對擴散系數的影響。
參考文獻：
Qingquan Liu, Jing Wang, Jingjing Liu,et al.Determining diffusion coefficients of coal particles by solving the inverse problem based on the data of methane desorption measurements[J].Fuel,2022.
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