溫度場-電場耦合的案例
凍融問題滲流場和溫度場耦合數(shù)值模擬
凍融作用在自然界中普遍存在如自然環(huán)境科學中滲流與溫度的相互作用會影響到滲流場和溫度場的分布從而影響生物的生存環(huán)境。高寒地區(qū)工程的凍融破壞作用例如路基凍脹穩(wěn)定問題寒區(qū)隧道的凍脹破壞等這些都是滲流和溫度的耦合問題。為了揭示凍融作用下滲流場和溫度場的變化規(guī)律建立了描述滲流場及溫度場耦合的偏微分方程其中滲流方程中考慮了溫度作用引起的介質(zhì)滲透特性的變化和水量變化及溫度梯度對滲流的影響。在溫度方程中考慮了相變對介質(zhì)熱物理參數(shù)的影響及水流動引起的對流作用影響。然后利用多物理場耦合分析軟件COMSOL Multiphysics成功的求解該方程組通過算例與Lunardini的解析解進行了對比驗證數(shù)學模型的合理性。最后通過一個凍結(jié)壁算例計算了在水流和熱傳導(dǎo)作用下的凍融情況和溫度場的變化規(guī)律。結(jié)果表明溫度場對滲流場分布有一定的影響?yīng)Ｍ瑯訚B流對凍融作用的影響顯著在凍融和滲流的作用下溫度場發(fā)生了明顯的變化。
凍融問題滲流場和溫度場耦合數(shù)值模擬.pdf
展開 軌道電磁炮技術(shù)的多場耦合仿真----電熱 結(jié)構(gòu) 溫度耦合
電流密度移動過程
局部電流密度
5.3發(fā)熱功率密度
根據(jù)以上的電流密度結(jié)果可以獲取相應(yīng)的導(dǎo)體的發(fā)熱功率，結(jié)果如圖所示，根據(jù)結(jié)果可以看到，導(dǎo)軌部分電流均勻，發(fā)熱功率也較為均勻.而炮彈的后側(cè)導(dǎo)體部分由于橫截面積較小，發(fā)熱功率較大，相應(yīng)的根據(jù)電流密度在其拐角處電流密度也較大.
5.4溫度結(jié)果
根據(jù)以上的邊界條件，考慮電流發(fā)熱、摩擦生熱、高溫熱傳導(dǎo)和位移等結(jié)果，獲取相應(yīng)的溫度結(jié)果如下圖所示，根據(jù)局部發(fā)達圖可以看到，最高溫度發(fā)生在炮彈的后方和導(dǎo)軌的接觸位置，由于該位置是電流集中，熱量集中，摩擦生熱集中的位置，而導(dǎo)軌又是可以相對位置變化的，而炮彈是持續(xù)加熱的，故該位置溫度最大
溫度隨時間變化的過程
局部放大圖
5.總結(jié)
在ANSYS中可以采用以上方法計算電磁力獲取相應(yīng)的動力學特性，再根據(jù)直接耦合方法獲取相應(yīng)的溫度場分布，獲取動態(tài)效果，查看溫度的傳遞運動過程。
該方法可以較好的展示移動熱源或恒定溫度沿著另一物體移動，電流接觸是變化的移動過程，查看這幾種場的耦合分析效果。
作者：大龍貓-范文哲（fwz0703@163.com，公眾號：CAE_ANSYS)
碩士，從事電氣行業(yè)耦合場仿真，個人微信號 fwz0703 ，
主要應(yīng)用為ANSYS Workbench界面下的各個模塊的使用，包括靜力學分析，動力學分析，電磁場分析, 溫度場分析，以及電磁-熱-結(jié)構(gòu)-流體 耦合場分析等；主要涉及到的仿真為電氣或汽車等通用零產(chǎn)品的分析計算，包括剛度，熱應(yīng)力，電磁力，拓撲優(yōu)化等
主要使用軟件：ANSYS Workbench，Emag，Maxwell，F(xiàn)luent，CFX， DM，Ls-dyna等
專注于仿真分析，歡迎大家共同討論學習，如有問題請回復(fù)郵件 fwz0703@163.com。
展開 BGA封裝焊點動靜力學與溫度場耦合仿真分析 ￥9.9
單元類型的選擇
結(jié)合本章節(jié)仿真條件，并為后續(xù)的熱應(yīng)力仿真作鋪墊，穩(wěn)態(tài)溫度場模擬選用C3D8R三維熱實體單元。該單元既能實現(xiàn)勻速熱傳遞，也可用于瞬態(tài)熱分析。單元類型選擇如下圖所示。
圖2-1 單元類型的選擇
2. 劃分網(wǎng)格
(a) PCB電路板 (b) 芯片
(c) 焊球 (d) 環(huán)氧樹脂
圖2-2 有限元模型網(wǎng)格劃分
同時考慮計算精度和速度，在對BGA封裝模型劃分網(wǎng)格時，我們使用映射網(wǎng)格的方法。如圖2-5所示。其中圖(a)為PCB電路板網(wǎng)格劃分示意圖，共有4342個單元，6642個節(jié)點；圖(b)為芯片網(wǎng)格劃分示意圖，共有1725個單元，2770個節(jié)點；圖(c)為焊球網(wǎng)格劃分示意圖，共有46個單元，298個節(jié)點；圖(d)為環(huán)氧樹脂網(wǎng)格劃分示意圖，共有7個單元，24個節(jié)點。
3. 接觸設(shè)置
在邊界條件設(shè)置中，芯片與底板通過焊點連接，設(shè)置焊點兩側(cè)分別與與芯片、底板綁定接觸，環(huán)氧樹脂采用粘結(jié)單元（cohesive單元）設(shè)置。
4. 邊界條件設(shè)置
按照實際情況在PCB板模型中設(shè)有8個安裝孔，施加相應(yīng)預(yù)緊力矩模擬真實安裝情況。為了模擬PCB板翹曲帶來的影響，模擬弓曲惡劣情況，在中間兩個孔中（2、6）施加了與翹曲方向相反的位移邊界條件，如下圖所示。
圖2-3 DSP器件建模布局和翹曲模擬示意圖
建模示意圖和實物圖如下圖所示。
展開 abaqus凍土路基的溫度-水分-變形多場耦合分析
在同一路基橫斷面處，由于凍土路基溫度場和水分場分布的不同，路基表面會產(chǎn)生不均勻變形，即在道路橫向發(fā)生了變形。在青藏公路的不同路段，由于不同的路基填料、不同的路基高度、不同的多年凍土類型以及不同的路側(cè)積水等情況，會使得凍土路基形成縱向的波浪變形。
1 路基溫度場
溫度場的控制方程如下所示
由于凍土路基會存在凍結(jié)和融化過程，這就會伴隨著相變熱的產(chǎn)生，因此需要在傳統(tǒng)溫度控制方程中額外考慮相變熱的的影響。
路基的溫度場邊界比較復(fù)雜，本文采用第二類和第三類邊界條件，考慮太陽輻射、對流換熱和地面有效輻射的影響。太陽輻射主要影響大氣溫度變化，這里采用下式描述大氣溫度變化
對流換熱則采用下式描述
建立如圖所示的有限元模型
可以計算得到路基的溫度場分布和一年中路基的溫度變化如圖所示
2 水分場分析
凍土路基的變形與水的凍結(jié)和融化息息相關(guān)。所以分析凍土路基的變形時必須考慮水場分布的影響。
路基中水分場遷移可以通過達西定律來描述
由于凍土路基中，水分凍結(jié)后，水分會發(fā)生遷移，因此需要考慮相變對水分遷移的影響。
計算得到的飽和度分布如圖所示
3 變形場分析
凍土路基的變形包括融沉變形和車載變形。進行變形場分析時，采用摩爾庫倫準則
路面的車輛載荷采用脈沖載荷來模擬，如下圖所示
同時，水分的凍結(jié)時會產(chǎn)生凍脹變形，因此需要考慮凍脹率的影響。這里凍脹率選擇為0.03。
結(jié)合溫度場分析和水分場分析可以獲得路基的變形結(jié)果。
本文中，溫度場分析通過film子程序和dflux子程序定義溫度邊界，通過hetval子程序定義相變熱。變形場分析通過dload子程序定義車輛載荷，通過uexpan子程序引入凍脹影響。
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(guān)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(shù)值加載到固體溫度場仿真的邊界條件中，實現(xiàn)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(qū)動電機部分：包括定子鐵芯、定子繞組、永磁轉(zhuǎn)子以及定子外殼；另一個是血液流動區(qū)域：包括前后導(dǎo)輪及其導(dǎo)葉、旋轉(zhuǎn)葉輪、軸承以及泵殼。血泵結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 軸流血泵整體結(jié)構(gòu)
利用商用流體仿真軟件進行相關(guān)邊界條件的設(shè)定，主要包括材料屬性、湍流模型、進出口邊界條件、轉(zhuǎn)速以及對流換熱系數(shù)等，其中血泵各部分的材料特性參數(shù)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 Comsol開關(guān)柜溫度-濕度-流場耦合計算
因此研究開關(guān)柜溫度-濕度-流場特性顯得尤為重要。
Ps:因不法商家瘋狂盜取本公眾號截圖，對工作室造成了不良影響，因此文章選圖皆做水印處理，為此給大家?guī)聿槐憔凑堈徑狻?2. 物理模型
據(jù)實體 CAD 設(shè)計圖紙，選擇直接在Comsol自帶的建模軟件繪制開關(guān)柜三維模型，開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型如圖 2所示。
模型中各部分結(jié)構(gòu)材料均可在材料庫中直接添加使用。仿真計算還需設(shè)置材料密度、恒壓熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和動力粘度等參數(shù)，為了計算結(jié)果的準確性，以上參數(shù)均從相關(guān)資料以現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)中獲得，如圖3所示。
圖2. 計算模型
圖3. 材料參數(shù)設(shè)置
3. 物理場邊界條件
溫度場和流體場仿真需要設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，其中溫度場需要設(shè)置濕空氣、流入邊界溫度、流出邊界、熱源、熱通量以及輻射散熱邊界，流場設(shè)置入口和出口邊界，溫度場和流場之間的耦合關(guān)系為非等溫流。詳細物理場邊界條件及場路耦合模型設(shè)置如圖4所示。
圖4. 物理場邊界條件
網(wǎng)格剖分質(zhì)量是影響計算過程收斂性和計算結(jié)果準確性的關(guān)鍵因素，網(wǎng)格剖分質(zhì)量越高，計算結(jié)果的準確性也越高，但過于精細的剖分單元對計算機的要求越苛刻，因此，在仿真計算中對流體邊界進行網(wǎng)格加密，其他部分在保持計算結(jié)果準確性的前提下，選擇適當?shù)钠史志?。網(wǎng)格剖分分布如圖5所示。
圖5. 計算模型網(wǎng)格和質(zhì)量分布圖
4. 結(jié)果展示
模型采用穩(wěn)態(tài)分離式求解器進行求解，通過計算得到開關(guān)柜溫度、濕度、速度和壓力等結(jié)果分布如下所示。
圖6. 溫度分布
圖7. 濕度分布
圖8. 速度場分布
圖9. 流線分布
圖10.
展開 abaqus凍土路基的溫度-水分-變形多場耦合分析
在同一路基橫斷面處，由于凍土路基溫度場和水分場分布的不同，路基表面會產(chǎn)生不均勻變形，即在道路橫向發(fā)生了變形。在青藏公路的不同路段，由于不同的路基填料、不同的路基高度、不同的多年凍土類型以及不同的路側(cè)積水等情況，會使得凍土路基形成縱向的波浪變形。
1 路基溫度場
溫度場的控制方程如下所示
由于凍土路基會存在凍結(jié)和融化過程，這就會伴隨著相變熱的產(chǎn)生，因此需要在傳統(tǒng)溫度控制方程中額外考慮相變熱的的影響。
路基的溫度場邊界比較復(fù)雜，本文采用第二類和第三類邊界條件，考慮太陽輻射、對流換熱和地面有效輻射的影響。太陽輻射主要影響大氣溫度變化，這里采用下式描述大氣溫度變化
對流換熱則采用下式描述
建立如圖所示的有限元模型
可以計算得到路基的溫度場分布和一年中路基的溫度變化如圖所示
2 水分場分析
凍土路基的變形與水的凍結(jié)和融化息息相關(guān)。所以分析凍土路基的變形時必須考慮水場分布的影響。
路基中水分場遷移可以通過達西定律來描述
由于凍土路基中，水分凍結(jié)后，水分會發(fā)生遷移，因此需要考慮相變對水分遷移的影響。
計算得到的飽和度分布如圖所示
3 變形場分析
凍土路基的變形包括融沉變形和車載變形。進行變形場分析時，采用摩爾庫倫準則
路面的車輛載荷采用脈沖載荷來模擬，如下圖所示
同時，水分的凍結(jié)時會產(chǎn)生凍脹變形，因此需要考慮凍脹率的影響。這里凍脹率選擇為0.03。
結(jié)合溫度場分析和水分場分析可以獲得路基的變形結(jié)果。
本文中，溫度場分析通過film子程序和dflux子程序定義溫度邊界，通過hetval子程序定義相變熱。變形場分析通過dload子程序定義車輛載荷，通過uexpan子程序引入凍脹影響。
展開 基于Fluent與ANSYS workbench的齒輪箱熱固耦合溫度場仿真案例
圖23 觀察甩油情況
圖24 初始時刻流場
圖25 0.015s流場
圖26 0.03s流場
圖27 0.06s流場
在fluent中最好根據(jù)想要的時間間隔設(shè)置每隔N步自動保存結(jié)果，這樣在后處理中有充足的結(jié)果可用，不會出現(xiàn)瞬態(tài)分辨率過低的情況，即時間跨度過大。
仿真步數(shù)可以自行選擇，這里選取了前600步的狀態(tài)進行分析。由于步數(shù)大少，大齒輪處在油浴當中，溫升小，因此觀察小齒輪，溫度攀升較快。
圖28 0.18s溫度云圖
圖29 0.36s溫度云圖
圖30 不同轉(zhuǎn)速溫升對比
通過仿真可以對比不同轉(zhuǎn)速下，小齒輪的溫升狀況。實際上轉(zhuǎn)速決定了：
生熱量，通過公式計算；
甩油程度。
在fluent中甩油的程度對溫度變化有一定影響，但是當轉(zhuǎn)速足夠大的時候，這個影響又變得不那么明顯。因此兩條曲線的形狀是相似的，只是單純的受到發(fā)熱量的支配。如果是低速重載情形，轉(zhuǎn)速很低（本例未包含），比如10rpm，這時候甩油困難，齒輪可能會發(fā)生膠合。
—————————————————————————————————————————————
結(jié)語：
由于解析方法計算齒輪減速器溫度場時的復(fù)雜性，往往需要對模型進行大幅簡化，難以得出精確解。針對此問題，本例使用仿真方法計算瞬態(tài)溫度場，可以有效捕捉輪齒與油液的接觸細節(jié)，實現(xiàn)了在精確仿真流場的前提下，油氣與齒輪固體共軛傳熱區(qū)域的實時更新。但同時也存在對流換熱系數(shù)不準確，內(nèi)嵌傳熱算法換熱值不精確的弊端。
這個案例很長，對fluent的多相流、動網(wǎng)格等等復(fù)雜模型都有涉及，希望看完帖子能讓大家有所收獲！仿真用到的幾何文件、udf文件、運動profile文件都在附件中。
展開 基于COMSOL的PDE模塊建立多場耦合下（濕度，溫度和荷載）混凝土的碳化模型。 ￥1800
基于COMSOL的PDE模塊建立多場耦合下（濕度，溫度和荷載）混凝土的碳化模型。
基于COMSOL的PDE模塊建立多場耦合下（濕度，溫度和荷載）混凝土的碳化模型。 ￥1800
需要的聯(lián)系我。
基于ANSYS Workbench流-熱-固多場耦合算法演繹
目前，隨著對產(chǎn)品的要求越來越多，單場載荷作用的響應(yīng)，已經(jīng)不能滿足工程需求，所以多場耦合計算是必不可缺的，基于ANSYS Workbench可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)場，流場，溫度場，電場和磁場的耦合，具備解決復(fù)雜多場耦合的計算問題能力。本文主要探討基于ANSYS Workbench平臺的流-熱-固多場耦合的算法。
完全耦合
完全耦合算法，也稱為直接耦合算法。主要使用耦合場單元求解熱-固的耦合計算，該算法的基本思想是在一個單元節(jié)點上擁有三個方向節(jié)點變形+一個溫度自由度，共四個自由度，即{UX UY UZ T}，該方法主要解決熱-固強耦合的問題，例如摩擦生熱計算，塑性變形生熱，粘性生熱計算，這些問題中結(jié)構(gòu)的變形與自身的溫度場之間是相互的影響的。如圖給出了SOLID226單元的示意圖，該單元的基本形狀為六面體，當然還有三種退化單元形狀，建議在計算中避免使用退化形狀，因為退化單元會降低求解精度。
圖1 SOLID226單元示意圖
圖2 基于耦合場單元的求解模塊
如圖2所示，給出了熱-固直接耦合的求解模塊，圖2中兩個模塊分別可以進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的熱-固直接耦合計算。
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