瞬態流場分析的案例
流固耦合瞬態分析-LES（Fluent+Tansient structure）
摘要：單向流固耦合的穩態分析比較常見。如果考慮流體剛剛進入管道的瞬態過程，則需要進行瞬態分析，本文使用不常見的湍流模型LES，進行瞬態分析。本文的姐妹篇使用RANS湍流模型進行計算，結果表明，這兩種方法結果接近，相互驗證。
00 模型如下，彎管+流體
01 流體劃分網格
02 流場瞬態分析
03 結構網格劃分
04 導入流體瞬態壓力場
05 結構時程響應
06 結構某時刻應力場
流體剛剛進入：
流體已經進入：
07 應力場動畫效果可下載附件：
模型應力場時程-LES.mp4
展開 流固耦合瞬態分析-RANS（Fluent+Tansient structure）
摘要：單向流固耦合的穩態分析比較常見。如果考慮流體剛剛進入管道的瞬態過程，則需要進行瞬態分析，本文使用最常見的湍流模型 RANS，進行瞬態分析。本文的姐妹篇使用LES湍流模型進行計算，結果表明，這兩種方法結果接近，相互驗證。
00 模型如下，彎管+流體
01 流體劃分網格
02 流場瞬態分析
03 結構網格劃分
04 導入流體瞬態壓力場
05 結構時程響應
06 結構某時刻應力場
流體剛剛進入：
流體已經進入：
07 應力場動畫效果可下載附件：
模型應力場時程-RANS.mp4
展開 內嚙合齒輪泵瞬態流場仿真
變形邊界的設置
計算及結果分析
1）選擇時間步長
齒輪泵流場計算為瞬態計算，時間步長是一個很重要的參數，在選擇時間步長時遵循的一個基本原則是一定要保證能夠解析時間相關的特征，同時要確保求解的穩定性。
對于一般問題，可以采用庫朗數來評估一個初始時間步長，即一個時間步內流體通過單元的數量，一般取值范圍為1-10，再結合求解的穩定性進行調整。
2）計算結果分析
截面壓力場分布：
圖 14. 壓力變化
從壓力分布可以看到泵內油壓建立和釋放的過程，月牙板兩側壓力從進油口到出油口逐漸增大。由于輪齒進入嚙合時，內部流體相互擠壓，最大壓力出現在齒輪嚙合處；最小壓力出現在吸油腔，是由于脫離嚙合時吸油腔體積增大形成了局部真空。
出口瞬時流量變化
圖 15. 流量脈動曲線
可以看到，由于結構本身特點，齒輪泵的流量呈現周期性的脈動變化。
泵的容積效率是泵的實際流量除以泵的理論流量，表示的是泵抵抗泄漏的能力。采用圖16所示的排量定義，可以采用SpaceClaim軟件測得該齒輪泵的理論幾何排量為173.1mm/r，理論流量為1.1519e-3kg/s，實際計算流量約為9e-4kg/s，因此該工況下容積效率約為78.125%，由于在數值計算時出于模型設置的考慮，人為增大了嚙合間隙，因此仿真計算得到的容積效率比實際值偏低。
圖 16. 幾何排量測量
展開 ANSYS Fluent 內嚙合齒輪泵瞬態流場仿真
在對齒輪泵進行流場仿真計算時，通常會遇到三個方面的問題：
1）嚙合間隙如何處理？
2）劃分什么樣的網格？
3）動網格如何設置？
下面介紹如何使用ANSYS Fluent軟件解決這三方面問題，順利的實現齒輪泵動態流場的仿真。
大咖慧齒輪箱仿真專題
11月16日-18日
11月16-18日，安世亞太大咖慧推出齒輪箱仿真專題培訓，內容包含：Recurdyn齒輪嚙合分析、無網格液體流動仿真軟件Particleworks介紹及案例演示、齒輪泵動態流場仿真分析課程介紹介紹。（報名方式見底部）
本文所
選取的實例模型如圖1所示，主要包含內齒圈、齒輪軸、月牙隔板、泵殼等部件。
圖 1.內嚙合齒輪模型
嚙合間隙的處理方法
如圖2，由于齒輪之間的嚙合間隙極小，會給流體域網格劃分帶來很大的困難，而且一般需要采用動網格技術模擬齒輪的旋轉運動，太小的間隙也會使嚙合區域網格重構時產生嚴重的扭曲，造成計算不收斂，所以通常都會對嚙合位置進行適當的處理。
圖2. 齒輪嚙合間隙示意
目前常用的處理方法主要是分離法，即通過增加兩個齒輪之間的安裝中心距來加大齒輪嚙合區域的間隙，這種方法保留了輪齒的真實形狀，但是可能會造成齒輪與其他結構干涉等問題。
展開 
渦旋壓縮機切向泄漏瞬態流場特性
劉國平等、李超等運用有限元分析軟件中的動網格技術和選用RNG
k-
湍流模型對渦旋壓縮機流場進行三維數值模擬，得到了各壓縮腔隨時間周期性變化的流場、溫度場分布規律。Liu等采用有限元分析軟件對壓縮空氣儲能用渦旋膨脹機的工作過程進行了數值模擬，研究了渦旋膨脹機非穩態工作時性能的影響規律以及渦旋膨脹機不同進氣溫度對工作腔內流場的分布特性，該研究對壓縮空氣儲能用渦旋壓縮機流場特性的研究具有重要意義。
上述學者采用數值模擬的方法對渦旋機械工作腔內瞬態流場和溫度場進行研究，獲得了腔內流場和溫度場分布特點等流場信息，但是并未完整反映徑向間隙對工作腔內瞬態流場和溫度場的變化特性。且多采用非結構網格，通過網格拉伸和網格重構劃分動網格區域，導致動、靜渦旋盤的徑向間隙設置往往大于0.1 mm，與實際模型相比誤差較大，不符合實際且計算速度慢。
本文建立了渦旋壓縮機三維非穩態CFD數值模型，整體采用結構化網格劃分渦旋盤流體區域，研究了徑向間隙對腔內流場和溫度場的影響規律，分析總結了進出口流量、嚙合間隙處泄漏氣體速度和溫度的分布規律以及動、靜渦旋齒嚙合過程中工作腔壓力、速度、溫度分布不均勻原因。
1 模型分析
1.1 物理模型
在渦旋壓縮機的設計中，將兩個線型和參數相同、相位差為180°的動、靜渦旋盤安裝后，可以得到多對閉合的月牙形密封腔。
展開 技術講解 | 內嚙合齒輪泵瞬態流場仿真
變形邊界的設置
03 計算及結果分析
1）選擇時間步長
齒輪泵流場計算為瞬態計算，時間步長是一個很重要的參數，在選擇時間步長時遵循的一個基本原則是一定要保證能夠解析時間相關的特征，同時要確保求解的穩定性。
對于一般問題，可以采用庫朗數來評估一個初始時間步長，即一個時間步內流體通過單元的數量，一般取值范圍為1-10，再結合求解的穩定性進行調整。
2）計算結果分析
①截面壓力場分布：
圖 15. 壓力變化
從壓力分布可以看到泵內油壓建立和釋放的過程，月牙板兩側壓力從進油口到出油口逐漸增大。由于輪齒進入嚙合時，內部流體相互擠壓，最大壓力出現在齒輪嚙合處；最小壓力出現在吸油腔，是由于脫離嚙合時吸油腔體積增大形成了局部真空。
②出口瞬時流量變化：
圖 16. 流量脈動曲線
可以看到，由于結構本身特點，齒輪泵的流量呈現周期性的脈動變化。
泵的容積效率是泵的實際流量除以泵的理論流量，表示的是泵抵抗泄漏的能力。采用圖16所示的排量定義，可以采用SpaceClaim軟件測得該齒輪泵的理論幾何排量為173.1mm/r，理論流量為1.1519e-3kg/s，實際計算流量約為9e-4kg/s，因此該工況下容積效率約為78.125%，由于在數值計算時出于模型設置的考慮，人為增大了嚙合間隙，因此仿真計算得到的容積效率比實際值偏低。
圖17. 幾何排量測量
展開 旋轉機械 流場分析｜基于STARCCM+的多翼離心風機流場分析
04
流場分析
下面對設計工況下的風機內部流場進行分析。截取葉輪中間位置的 XY 截面與XZ 截面，網格如圖8所示。在XZ截面上建立速度矢量Vxz的流線分布，如圖10所示。從圖中可見流量大部分靠近蝸殼出口側流動，并且在蝸殼中形成了非常明顯的上下兩個二次渦流，這是蝸殼中主要損失之一。其主要的成因是軸向上流動分布不均，造成上下壓力不平衡而形成的二次流動。在XZ截面上建立徑向速度的矢量分布圖，如圖11所示。徑向速度間接代表了葉輪進出口的流量分布。從圖中可以更加明顯的看到流量在軸向上分布非常不均勻，其主要原因是空氣從外界進入葉輪前由于多翼離心風機軸面流道的特點，無法使軸向進氣能很好的均勻的導出徑向出氣，所以無法避免的造成了軸向速度分布不均勻。從優化的角度需要對軸面流道和進氣裝置的導流特性進行優化。
圖8 XZ、XY截面示意圖
圖9 XY截面葉輪示意圖
在XY截面上，建立面上葉輪內部Vxy矢量的相對速度流線分布圖，如圖12所示。圖中可見葉輪間都或多或少的存在葉間渦，其中約有 2/5 的流道中渦占據一半位置以上，在流量集中區域渦相對較小，但仍然存在。因此葉間渦的作用對多翼離心風機中的影響不可忽視。
展開 貢獻一本ansys流場分析的書《ANSYS13.0 FLOTRAN流場分析從入門到精通》
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前言
第1章 FLOTRAN流體分析概述
1.1 FLOTRANCFD分析的概念
1.2 FLOTRAN分析類型
1.2.1 層流分析
1.2.2 湍流分析
1.2.3 熱分析
1.2.4 可壓縮流動分析
1.2.5 非牛頓流動分析
1.2.6 多組份傳輸分析
1.2.7 自由表面分析
第2章 FLOTRAN分析的基本原理
2.1 FLOTRAN單元的特點
2.1.1 FLUIDl41單元
2.1.2 FLUIDl42單元
2.2 FLOTRAN單元的局限性
2.3 FLOTRAN分析步驟
2.3.1 確定問題的區域
2.3.2 確定流體的狀態
2.3.3 生成有限元網格
2.3.4 施加邊界條件
2.3.5 設置FLOTRAN分析參數
2.3.6 求解
2.3.7 檢查結果
2.4 FLOTRAN單元相關文件
2.4.1 結果文件
2.4.2 打印文件
2.4.3 殘差文件
2.4.4 重啟動文件
2.4.5 FLOTRAN重啟動分析（續算）
2.5 提高收斂性和穩定性的常用的工具
2.5.1 松弛系數
2.5.2 慣性松弛
2.5.3 修正的慣性松弛
2.5.4 人工粘性
2.5.5 速度限制
2.5.6 面積積分階次
2.6 評價FLOTRAN分析
2.7 驗證結果
第3章 FLOTRAN流體的基本屬性
3.1
展開 平板溫度場瞬態分析 ￥5
USE JACOBI CONJUGATE GRADIENT SOLVER
SOLVE
FINISH
溫度場動畫與時間歷程動畫放在一起，命令流見附件，感興趣的可以下載！
運行的時候將myanim.txt后綴改成mac，放到ansys工作路徑下運行即可。
基于SimSolid的塑膠模具溫度場瞬態分析
1.模具初始模型輸入
導入整套塑膠模具模型，所有模型不經過任何精簡或者處理，直接由NX導入到SimSolid；
合計零部件數目430個，抑制2個多余的小體積零件，自動識別出螺栓153個；
2.統一定義材料
統一設置材質，對于個別零件如果有特殊材質，可以單獨選中定義材料；
3.自動生成接觸條件
自動批量設置零部件的接觸類型，有特殊接觸需要的零件，可以手動變更接觸類型；
4.熱條件輸入
通過時間曲線的振幅因子，控制不同時間的水路溫度輸入；
定義需要計算的預熱溫度場輸入，可以是功率也可以是溫度，或者是變化的溫度場輸入，比如開始時100℃，1小時后變更為90℃等，可以通過上述實際曲線進行控制；
定義上下與注塑機接觸面的熱交換系數，定義模具四周表面對流區域及換熱系數；如果有特殊區域，如有隔熱板區域，可以單獨定義。
5.求解計算·
設置計算時間，完畢后，提交計算，
如果只是快速的預測溫度場，粗略計算的速度很快，大約只需要5分鐘即可完成分析；從模型導入到分析結束時間不超過30min；
6.結果讀取
7200s時，整體溫度最高94.4℃；也可以查閱核心部件溫度場變化。
重點評估注塑區域鑲塊溫度是否＞90℃；
可以查閱不同時間核心部件的溫度變化；
小結：
基于SimSolid塑膠模具的預熱溫度場分析，分析過程無需專業人員，也不需要進行精確的網格及接觸處理，分析時間可以控制在1小時內，能夠滿足企業的DFM、報價、工藝預設計階段的需求，能夠大幅度降低后期不可控風險及工藝變更次數，縮短研發周期，大幅降低產品的開發成本。
展開 酒店套房室內空調流場溫度場分析
針對之前的一個咨詢課題，總結了一下，簡單介紹了室內空調流場分析和熱場分析的基本方法，根據CAD圖紙來建立室內的三維圖，其中考慮了室內墻的厚度，和室外玻璃，不同墻等材料，室內燈泡，電器，床，等家具家電折算為體熱源平攤到室內中，考慮太陽光的輻射作用，主要從玻璃墻處進入室內，設置為面熱源進入計算域，模型的CAD圖紙如下所示：
根據該CAD建立幾何3維幾何模型如下所示：
其中天花板進行了隱藏處理，建立中央空調入風口和出風口，玻璃窗戶，外墻，內墻等，進行網格劃分，如下所示：
室內房間主要有空氣對流傳熱，墻的導熱，和玻璃窗戶的輻射，通過數值分析，設置檢測點和觀測平面內空氣的流場分布來優化空調入風口和出風口的位置，為中央空調的布置提供部分依據，外墻，內墻，玻璃等材料的物性參數由測量所得，通過計算可以得到以下結果。
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展開 
Workbench之21 Coupled Field Transient 耦合場瞬態分析
Workbench之21 Coupled Field Transient 耦合場瞬態分析
耦合場瞬態分析系統，計算瞬態載荷下隨時間變化的位移、應變、應力和反作用力，本系統支持2D和結構-熱耦合物理場。
本系統在Mechanical中配置，使用Mechanical APDL求解器計算
要使用耦合場瞬態分析：
1） 添加耦合場瞬態分析系統，從工具箱拖拽該系統至項目圖，或在工具箱雙擊該系統
一旦選定該系統，顯示下述提示：
該信息告知，通過在Setup單元的屬性頁選擇物理類型，將在隨后的Mechanical程序中自動創建物理域（對象）；Structural（結構）、Thermal（熱）是只讀活動屬性，Acoustics（聲）是只讀非活動屬性見下圖
2） 若無需顯示提示信息框，勾選“Do not show me this again”
3） 點擊OK關閉提示框
4） 載入幾何體，右擊Geometry單元，快捷菜單選擇Import Geometry（導入幾何）
5） 導入模型，雙擊Setup單元，或右鍵快捷菜單選擇Edit（編輯）
6） 在Mechanical窗口，使用工具和特征完成分析
展開 瞬態溫度場靈敏度分析的精細積分法
精細積分法
機械強度 2000年 04期-瞬態溫度場靈敏度分析的精細積分法.pdf
基于Hypermesh前處理與Fluent、Optistruct求解器的流固耦合分析（一）流場計算
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一、概述
隨著計算科學以及數值分析方法的不斷發展，流固耦合或交互作用 （fluid structure coupling 或 fluid structure interaction）研究從 20 世紀 80 年代以來，受到了世界學術界和工業界的廣泛 關注。流固耦合問題是流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）與固體力學 （Computational Solid Mechanics，CSM）交叉而生成的一門力學分支，同時也是多學科或多物理場研究的一個重要分支，它是研究可變形固體在流場作用下的各種行為以及固體變形對流場影響這二者相互作用的一門科學。了解流固耦合對于許多產品的設計至關重要。如果不考慮流體與固體之間的相互影響，則會導致產品性能被過高或過低估計。
流固耦合一般分為單向耦合與雙向耦合。如果結構變形非常小，并且可以認為結構的變形幾乎不會對流場的各項參數產生影響，或產品本身不允許在流體的作用下發生較大的變形，這種情況下只需要先求解出流體與固體界面上的壓強數據，并將壓強數據傳導到固體的表面進行結構力學計算。然而，如果結構發生大變形，流體的速度和壓力場就會因此發生改變，此時我們需要將其作為雙向耦合問題進行多物理場分析：流體流動和壓力場會影響結構變形，而結構變形又反過來影響流體的流動和壓力。實際工況中選擇進行單向耦合分析還是雙向耦合分析需要根據實際產品及作用工況進行判斷。
本文將執行一個單向流固耦合分析流程，先在Hypermesh前處理器進行流體域的建立和CFD網格劃分，然后導入至Fluent求解器進行流場計算，得到流體與固體界面的壓強信息，隨后將Fluent中計算得到的壓力信息映射至結構網格上，并使用Optistruct求解器進行結構力學分析。
展開 技術干貨丨基于SimSolid的塑膠模具溫度場瞬態分析
由于塑膠模具構成相對比較復雜，嵌件及模塊比較多，一般零部件數量在400~1000+，使用傳統的熱分析軟件，前處理涉及的網格、接觸等的設置可能都得需要1天時間，大量零部件帶來的干涉、縫隙、冗余都錯誤都需要一一排除，即使前處理正常完成，計算過程對求解器的要求也比較高，局部低質量的網格也會對結果輸出有重大的影響，所以此類分析使用傳統有限元軟件，成本高，計算過程失敗幾率高，時間長，所以在塑膠行業沒有得以像模流分析一樣嵌入企業的研發流程。
SimSolid 軟件的出現，為解決上述痛點，提供了一種可行的解決方案。SimSolid 采用無網格技術，支持自動接觸設置，支持導入1000+零件裝配體，可以快速完成模具的預熱分析，實現了在實際開模前評估預熱時間，關鍵區域溫度場分布，提前定義充足的工藝條件；
以上面的模具為例，此模具注塑時需要90℃模溫，使用模溫機進行預熱和冷卻；
冷卻水路如下所示：
初始預熱冷卻水路溫度為95℃，環境溫度為23℃，評估7200S后模具核心區域的溫度的分布情況。（注塑核心區域溫度達到90℃以上，整個計算過程簡化了進水口與出水口的溫度差異，默認為95℃恒溫。）
塑膠模具溫度場瞬態分析
1.模具初始模型輸入
導入整套塑膠模具模型，所有模型不經過任何精簡或者處理，直接由NX導入到 SimSolid；
合計零部件數目430個，抑制2個多余的小體積零件，自動識別出螺栓153個。
2.統一定義材料
統一設置材質，對于個別零件如果有特殊材質，可以單獨選中定義材料。
3.自動生成接觸條件
自動批量設置零部件的接觸類型，有特殊接觸需要的零件，可以手動變更接觸類型。
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