CFD耦合分析的案例
CFD專欄丨為什么需要CFD+DEM耦合方法分析顆粒兩相流？
為什么我們需要CFD+DEM 的耦合方法？
【經(jīng)典案例】Abaqus/CFD流固耦合視頻教程
01
FSI經(jīng)典案例
風(fēng)吹平板是一個經(jīng)典的流固耦合（FSI）案例，在之前的文章【基于Abaqus的流固耦合方法匯總】中已有介紹，我們是通過SIMULIA CSE（Co-simulation Engine）同時調(diào)用Abaqus/CFD和Abaqus/Explicit來完成的。
雖然Abaqus 2017開始，已經(jīng)不再支持CFD，但依然會有不少人問到個模型是如何創(chuàng)建的，可見對于已經(jīng)習(xí)慣Abaqus界面的用戶，還是不太會輕易放棄這個流體求解器的。
沒關(guān)系，因為多個版本可以共存，想要繼續(xù)使用CFD的話，你可以在電腦上再裝一個Abaqus 2016（Abaqus/CFD功能最完善的版本），或者追粉至達索3DExperience平臺，在這個平臺里面，昔日的Abaqus/CFD已經(jīng)升級為FMK（Fluid Dynamics Engineer），功能不可同日而語，具有非常強大的流體域網(wǎng)格自動劃分能力，并且已經(jīng)支持可壓縮流體。
風(fēng)吹平板案例
02
視頻教程
這個案例的視頻教學(xué)是以手把手、從頭開始跟著做的形式進行的，非常適合想要入坑流固耦合的選手。
視頻一共四個章節(jié)，詳述基于Abaqus/CFD進行流固耦合分析的建模過程和后處理技巧，課程總時間為64分鐘，附件區(qū)可以直接下載CAE文件。
展開 THESEUS-FE與CFD軟件耦合分析介紹
Theseus-FE基于隱式有限元求解方法分析求解，能夠解決各種熱分析問題，包括各種形式的熱輻射、全三維模擬問題、導(dǎo)熱、自由及強制對流，穩(wěn)態(tài)或完全瞬態(tài)的熱傳導(dǎo)和輻射問題等。
THESEUS-FE tigong了豐富的手段模擬傳熱中的對流效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)單向和雙向的流固耦合傳熱仿真。其獨有的CFD雙向耦合模塊為精確地求解流固耦合傳熱問題 tigong 了保障。
1、單向流固耦合
THESEUS-FE通過Transformer模塊實現(xiàn)單向流固傳熱仿真。該模塊專門實現(xiàn)CFD結(jié)果和THESEUS-FE之間進行數(shù)據(jù)交換，支持包括FLUENT、STAR-CCM+等多種格式。采用高速插值映射算法，從外部網(wǎng)格中快速提取數(shù)據(jù)，即實現(xiàn)CFD計算結(jié)果映射到THESEUS-fE模型中，進行單向耦合計算。
2、雙向完全流固耦合
THESEUS-FE Coupler模塊可實現(xiàn)傳熱—CFD協(xié)同仿真。不依賴于第三方軟件，Coupler可實現(xiàn)THESEUS-FE和CFD求解器Star-CCM+或OpenFOAM之間的雙向耦合仿真。
在theseus-fe模型包含的虛擬對流邊界條件，這些條件在耦合分析中會發(fā)生變化：CFD求解器會在每一個增量步結(jié)束后傳遞更新后的對流參數(shù)。
展開 技術(shù)鄰周報Q11：單元選擇/LS-DYNA模態(tài)分析/iSolver/流固耦合/ABAQUS/跌落分析/CFD/散熱/DEFORM
8、手機跌落分析案例Step-by-Step
作者：
芷行說
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1814493
本次給大家分享一個利用Workbench分析手機跌落，為了簡單，手機模型內(nèi)部細節(jié)沒有建立，大家 根據(jù)自己需求進行手機的細節(jié)建模。跌落分析在許多行業(yè)內(nèi)需求都很高，不行包括手機跌落，還有服務(wù)器機箱跌落等，本案例重點給大家介紹具體的技術(shù)性操作，原則上可以擴展到任何的跌落分析上。
9、五級簡化，助你快速搞定電機CFD散熱
作者：
安世亞太
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1814564
電機在運行時將產(chǎn)生各種損耗，這些損耗轉(zhuǎn)變成熱量，使電機各部件發(fā)熱，溫度升高。電機中的某些部件，特別是電機的絕緣，只能在一定的溫度限值內(nèi)才能可靠工作。為維持電機的合理壽命，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧㈦姍C中的熱量散發(fā)出去，使其在允許的溫度限值內(nèi)運行。
10、案例分享 | Cradle CFD為復(fù)雜航空電子設(shè)備提供高級熱仿真
作者：
MSC軟件
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1814746
網(wǎng)格劃分策略通常是影響軟件決策的關(guān)鍵部分。至少TEN TECH就是這種情況，他們正在尋找笛卡爾網(wǎng)格的CFD熱仿真軟件。當(dāng)然，在他的腦海中還有更多的標(biāo)準(zhǔn)：好的幾何處理器；幾何簡化功能；快速、準(zhǔn)確和完善的求解器和后處理；有競爭力的價格。“ 從第1天起，scSTREAM（Cradle CFD 軟件模塊之一）就達到并超出了期望目標(biāo)。
展開 
基于abaqus/CFD&Standard管道流固耦合變形分析
鑒于abaqus/CFD&Standard/Explicit流固耦合分析的例子少之甚少，我所看到的手冊中唯一一個有關(guān)abaqus流固耦合結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形分析的
例子是基于abaqus+fluent+mpcci聯(lián)合實現(xiàn)的，故曾經(jīng)懷疑基于abaqus/cfd&standard/explicit流固耦合涉及結(jié)構(gòu)變形分析目前是否能夠?qū)?現(xiàn)，最近偶爾做了個基于abaqus/cfd&standard管道流固耦合變形的例子，發(fā)現(xiàn)其實是可以做的，拿出來與大家分享一下，當(dāng)然，還有一
些細節(jié)問題有待進一步探索，希望有對此感興趣的同仁一起研究探討，比如結(jié)構(gòu)采用殼單元后，收斂性會相當(dāng)差，這在基于其它軟件的流固
耦合分析中其實很少出現(xiàn)問題，還有比如流場會受ALE的影響出現(xiàn)整體網(wǎng)格抖動（這個問題是我在做另一個FSI涉及結(jié)構(gòu)變形的算例中出現(xiàn)的
怪異現(xiàn)象）。
模型采用abaqus/cfd模塊與abaqus/standard模塊進行co-simulation，模型見下圖：
相關(guān)計算結(jié)果：
放大后的結(jié)構(gòu)變形：
結(jié)構(gòu)壓力分布：
流體瞬時速度矢量分布：
Co-execution-guan_solid_fluid_2-guan_solid.rar
Co-execution-guan_solid_fluid_2-guan_fluid.rar
展開 【流體機械專欄】考慮簧 片閥耦合的往復(fù)活塞壓縮機三維瞬態(tài)CFD分析
壓縮機活塞和進出口閥片在運行時相互作用，閥片動力學(xué)對壓縮機系統(tǒng)的效率和性能起到很大的作用，因此在仿真模型中必須同時考慮活塞壓縮機和閥片之間的耦合關(guān)系。在已有的報道中鮮有這種活塞壓縮機-閥系統(tǒng)耦合CFD模型。這是因為，往復(fù)壓縮機的三維CFD耦合建模會涉及復(fù)雜的運動網(wǎng)格算法和可變時間步長模型，建模難度太大。Simerics MP+軟件專注于容積式流體機械（如泵和壓縮機）的CFD仿真，將往復(fù)壓縮機三維CFD網(wǎng)格劃分和求解方法模板化，解決了軟件易用性和穩(wěn)定性的問題。
THESEUS-FE與CFD雙向耦合仿真測試
THESEUS-FE是國際領(lǐng)先的專業(yè)熱分析軟件。THESEUS-FE Coupler模塊可實現(xiàn)傳熱—CFD協(xié)同仿真。不依賴于第三方軟件，Coupler可實現(xiàn)THESEUS-FE和CFD求解器Star-CCM+或OpenFOAM之間的雙向耦合仿真，最為精確地仿真流體對結(jié)構(gòu)的對流效應(yīng)和結(jié)構(gòu)溫度對流動的影響。
為測試軟件與CFD雙向耦合聯(lián)合仿真功能，用以下二維測試算例演示軟件與CFD聯(lián)合求解工作流程。
1、
計算模型
算例采用長寬高均為1米的二維測試盒，初始溫度為20℃，如下圖所示，左側(cè)受10W/m2的熱源，右側(cè)與邊長為1m的流體區(qū)域連接，流體區(qū)域左側(cè)受測試盒加熱，右側(cè)固定溫度為0℃，流體區(qū)域初始溫度為0℃。計算最終狀態(tài)溫度。
2、
計算條件
計算采用theseus-fe與STAR-CCM+聯(lián)合仿真，進行穩(wěn)態(tài)計算。
在THESEUS-FE的GUI中進行固體區(qū)域邊界條件設(shè)置。對于與流體區(qū)域連接的一側(cè)，設(shè)置如下所示邊界條件：
在后續(xù)的聯(lián)合仿真中，流體溫度和換熱系數(shù)會根據(jù)流體計算結(jié)果不斷修正，同時，THESEUS-FE會將固體區(qū)域溫度邊界傳遞給CFD，二者不斷信息交換進行聯(lián)合計算。
3、
聯(lián)合仿真運行
采用Coupler模塊進行聯(lián)合仿真設(shè)置，THESEUS-FE將壁面溫度傳遞給CFD，同時CFD傳遞換熱系數(shù)和流體溫度，如下圖所示：
4、
聯(lián)合仿真結(jié)果
測試盒最終計算結(jié)果溫度分布及單元15溫度歷史曲線如下：
耦合仿真計算完成，使用耦合仿真技術(shù)可得到高精度的熱分析結(jié)果，應(yīng)用快捷簡便。Coupler tigong了友好的用戶界面，通過圖形界面引導(dǎo)用戶逐步完成耦合設(shè)置，基本實現(xiàn)完全自動化設(shè)置。
Theseus-fe與CFD雙向耦合仿真測試.pdf
展開 THESEUS-FE與CFD雙向耦合仿真測試
THESEUS-FE是國際領(lǐng)先的專業(yè)熱分析軟件。THESEUS-FE Coupler模塊可實現(xiàn)傳熱—CFD協(xié)同仿真。不依賴于第三方軟件，Coupler可實現(xiàn)THESEUS-FE和CFD求解器Star-CCM+或OpenFOAM之間的雙向耦合仿真，最為精確地仿真流體對結(jié)構(gòu)的對流效應(yīng)和結(jié)構(gòu)溫度對流動的影響。
為測試軟件與CFD雙向耦合聯(lián)合仿真功能，用以下二維測試算例演示軟件與CFD聯(lián)合求解工作流程。
1、 計算模型
算例采用長寬高均為1米的二維測試盒，初始溫度為20℃，如下圖所示，左側(cè)受10W/m2的熱源，右側(cè)與邊長為1m的流體區(qū)域連接，流體區(qū)域左側(cè)受測試盒加熱，右側(cè)固定溫度為0℃，流體區(qū)域初始溫度為0℃。計算最終狀態(tài)溫度。
2、 計算條件
計算采用theseus-fe與STAR-CCM+聯(lián)合仿真，進行穩(wěn)態(tài)計算。在THESEUS-FE的GUI中進行固體區(qū)域邊界條件設(shè)置。對于與流體區(qū)域連接的一側(cè)，設(shè)置如下所示邊界條件：
在后續(xù)的聯(lián)合仿真中，流體溫度和換熱系數(shù)會根據(jù)流體計算結(jié)果不斷修正，同時，THESEUS-FE會將固體區(qū)域溫度邊界傳遞給CFD，二者不斷信息交換進行聯(lián)合計算。
3、 聯(lián)合仿真運行
采用Coupler模塊進行聯(lián)合仿真設(shè)置，THESEUS-FE將壁面溫度傳遞給CFD，同時CFD傳遞換熱系數(shù)和流體溫度，如下圖所示：
4、 聯(lián)合仿真結(jié)果
測試盒最終計算結(jié)果溫度分布及單元15溫度歷史曲線如下：
耦合仿真計算完成，使用耦合仿真技術(shù)可得到高精度的熱分析結(jié)果，應(yīng)用快捷簡便。Coupler提供了友好的用戶界面，通過圖形界面引導(dǎo)用戶逐步完成耦合設(shè)置，基本實現(xiàn)完全自動化設(shè)置。
展開 基于Abaqus/CFD與Abaqus/Explicit的流固耦合
案例簡述：彈性板狀結(jié)構(gòu)在持續(xù)強風(fēng)（8級）載荷作用下的動力學(xué)響應(yīng)，彈性板因界面風(fēng)壓產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，結(jié)構(gòu)變形引起流場變化即風(fēng)壓改變，界面風(fēng)壓的改變導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的變形，是一個典型的流固耦合作用過程，可以通過Simulia Co-simulation Engine耦合Abaqus/CFD與Abaqus/Explicit兩個求解器來求解流場與結(jié)構(gòu)響應(yīng)，由于Abaqus/CFD只支持3D流場分析，這里用具有一定厚度、近似2D的的流場進行分析，以減小計算量。
CFD專欄丨電池電芯熱電耦合仿真
然而，詳細電化學(xué)在電池包CFD模型中進行模擬時計算量巨大。出于這個原因，開發(fā)了MSMD多尺度多維解決方案，在單電芯上結(jié)合重要的電化學(xué)，并擴展到電池pack級。下圖顯示了AcuSolve求解器的不同規(guī)模的電池模型。
等效電路模型
在等效電路模型（ECM）中，電池的電行為由電路模擬。例如在二階ECM模型中，電路由三個電阻和兩個電容組成，如圖所示。
電壓-電流關(guān)系可以通過求解以下一組電路方程來獲得。其中：QAh代表電池的容量，V和I分別是電壓和電流。開路電壓Vocv、電阻Rs/R1/R2和電容C1/C2是荷電狀態(tài)SOC和溫度的函數(shù)。這些參數(shù)通常可以通過電芯試驗數(shù)據(jù)的非線性回歸獲取。
ECM模型中的上述參數(shù)用于Bernardi方程，以計算歐姆熱的產(chǎn)生（焦耳熱效應(yīng)）和熵體積熱的產(chǎn)生（電芯的電化學(xué)反應(yīng)）。dU/dT項代表開路電壓隨溫度的變化。
下面通過一個簡單的圓柱電芯模型演示電熱耦合分析過程。
在Solution中選擇Battery Thermo Electric，設(shè)置電芯類型，時間步和總時間。
展開 用于 ICEV 耦合 CHT 仿真的保真 CFD
結(jié)論
完全耦合的 CHT 仿真為車輛的空氣動力學(xué)和熱性能提供了更真實的結(jié)果。從計算輻射分量到捕獲固體和流體域熱傳遞中涉及的物理現(xiàn)象，F(xiàn)idelity CFD 只需最少的用戶干預(yù)即可完成這一切。隨著汽車行業(yè)設(shè)計周期的縮短，像 Fidelity CFD 這樣的多方面仿真平臺面臨著在更短的時間內(nèi)預(yù)測車輛熱行為的挑戰(zhàn)。
文章來源：cadence博客
本田——為什么熱管理 CFD 需要全耦合共軛傳熱仿真
如果沒有同時捕獲共軛傳熱效應(yīng)的耦合 CFD 仿真，則絕對無法對發(fā)動機和排氣系統(tǒng)中的熱相互作用進行準(zhǔn)確建模。
圖 5a：發(fā)動機表面溫度
圖 5b：發(fā)動機周圍的水平剖切面
如圖 6 和圖 7 所示，較大的溫差會導(dǎo)致強烈的輻射傳熱。要在此處實現(xiàn)準(zhǔn)確的熱預(yù)測，需要將共軛傳熱與輻射模型直接耦合。
圖 6：排氣管的溫度
圖 7：排氣系統(tǒng)的靜態(tài)溫度和車身底部的流動結(jié)構(gòu)
CFD專欄丨HyperWorks多物理場仿真：流固耦合
大橋劇烈晃動直至崩塌
HyperWorks的流體求解器AcuSolve流固耦合分析分為四種情況：
分析穩(wěn)態(tài)的流場壓力和溫度場對固體變形的影響，也叫 TFSI (Thermal-FSI)屬于單向耦合；
分析流體動載荷引起的固體振動現(xiàn)象，也叫P-FSI (Practical FSI)，屬于單向耦合；
瞬態(tài)流動引起固體大變形，并反饋給流場，也叫DC-FSI (Direct Coupling FSI)，屬于雙向耦合。
固體本身的變形量很小，可以認(rèn)為是剛體，但是整體產(chǎn)生比較大的位移，可以采用CFD耦合MBD多體動力學(xué)分析，也屬于雙向耦合。
以上幾種分析都可以在SimLab模塊中完成，流固交界面的耦合數(shù)據(jù)在后臺傳遞，無需用戶編輯腳本。
TFSI模型的計算代價最小，通常用于流體靜載荷或溫度梯度引起的固體小變形，例如汽車排氣管的熱應(yīng)力，發(fā)動機水套的熱應(yīng)力，車燈的熱應(yīng)力等等場景。
排氣歧管的TFSI分析案例
AcuSolve模型的管路入口為高溫高壓氣體，管路出口為大氣壓和環(huán)境溫度，管路外壁面是自然對流散熱邊界。AcuSolve結(jié)果傳遞給求解器OptiStruct再分析管路的熱應(yīng)力和變形。
展開 CFD專欄丨HyperWorks多物理場仿真：流固耦合
固體本身的變形量很小，可以認(rèn)為是剛體，但是整體產(chǎn)生比較大的位移，可以采用CFD耦合MBD多體動力學(xué)分析，也屬于雙向耦合。
以上幾種分析都可以在SimLab模塊中完成，流固交界面的耦合數(shù)據(jù)在后臺傳遞，無需用戶編輯腳本。
TFSI模型的計算代價最小，通常用于流體靜載荷或溫度梯度引起的固體小變形，例如汽車排氣管的熱應(yīng)力，發(fā)動機水套的熱應(yīng)力，車燈的熱應(yīng)力等等場景。
排氣歧管的TFSI分析案例
AcuSolve模型的管路入口為高溫高壓氣體，管路出口為大氣壓和環(huán)境溫度，管路外壁面是自然對流散熱邊界。AcuSolve結(jié)果傳遞給求解器OptiStruct再分析管路的熱應(yīng)力和變形。
展開 Cadence CFD: 通過流固耦合模擬減少水產(chǎn)養(yǎng)殖生物足跡
不幸的是，不充分的規(guī)劃和執(zhí)行減緩了水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的增長，但我們有一個解決方案：流固耦合研究可以幫助設(shè)計堅固且可持續(xù)的魚籠網(wǎng)，最大限度地減少停滯并確保成功的魚類生產(chǎn)。讓我們一起減少水產(chǎn)養(yǎng)殖的生物足跡，讓它成為一個可持續(xù)的、令人興奮的未來，走向藍色革命！
水產(chǎn)養(yǎng)殖從池塘中的小規(guī)模開始，隨著市場的增長，有必要確定其他大規(guī)模養(yǎng)殖方式，例如在公海中。那是魚籠出現(xiàn)的時候。這些網(wǎng)箱通常配備系泊系統(tǒng)，以將它們保持在固定位置或避免因風(fēng)、水流和其他環(huán)境因素而過度移動。管理網(wǎng)增加了海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖場的大量工作量，這需要使用專門的設(shè)備。網(wǎng)材的堅固程度決定了網(wǎng)能夠承受不同水動力的程度，而用堅固比來描述網(wǎng)的“緊密度”。根據(jù)挪威標(biāo)準(zhǔn) NS 9415, 網(wǎng)在水中的斷裂強度不應(yīng)低于其初始強度的 65%。
盡管通常位于偏遠地區(qū)，但養(yǎng)魚場也無法免受污染、寄生蟲感染和氧氣水平不足的負(fù)面影響。這些因素會導(dǎo)致魚類處于壓力環(huán)境中，導(dǎo)致健康狀況不佳和更容易受到感染。因此，當(dāng)務(wù)之急是創(chuàng)建旨在溶解廢物并避免水停滯的養(yǎng)魚場。流量計、pH 計等控制單元可以有效維持支持健康養(yǎng)殖的環(huán)境。此外，養(yǎng)殖鉗子、貽貝和牡蠣也可以過濾掉水中溶解的廢物。
通過流固耦合研究減少魚籠中的停滯
在設(shè)計魚籠時，必須考慮流動和傳熱方面，因為它們會顯著影響產(chǎn)品的耐用性和結(jié)構(gòu)。通過使用計算機分析和模擬，可以在設(shè)計過程的早期識別潛在風(fēng)險，這比構(gòu)建物理模型更具成本效益。對于魚籠網(wǎng)中的流固耦合建模、模擬和分析，計算流體動力學(xué) (CFD)/有限元分析 (FEA) 是最有效的工具。例如，這些工具可以幫助確定最好的魚籠材料以承受極端天氣條件并優(yōu)化網(wǎng)的布置，即網(wǎng)箱之間的距離和一排網(wǎng)箱的數(shù)量，以避免停滯并提高魚類產(chǎn)量。
在高水流下，魚的行為與網(wǎng)的堅固性之間存在著至關(guān)重要的關(guān)系。了解網(wǎng)的堅固性對于模擬穿過養(yǎng)魚場和環(huán)繞養(yǎng)魚場的水流至關(guān)重要。
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