熱-流-力耦合仿真的案例
電力變壓器的熱流耦合仿真和絕緣紙熱老化分析
如果變壓器繞組熱點溫升過高則可能發(fā)生局部過熱，影響變壓器的運行穩(wěn)定性和服役壽命。絕緣紙作為油浸式電力變壓器的絕緣屏障，其老化產生的機械、絕緣等性能改變是一個不可逆過程，對其開展仿真研究對于變壓器運行維護具有重要的指導意義。
重慶大學的技術團隊經(jīng)過多年積累，在高壓設備和絕緣技術方面積累了深厚的經(jīng)驗。他們利用Simdroid對電力變壓器開展固體傳熱和流體的耦合仿真建模，模型采用二維近似簡化，在精確反映物理場景的前提下節(jié)省了計算資源，提高了計算效率和展示效果。本文展示的案例中在正常工況變壓器的結構基礎上增加了繞組間擋板，目的是研究擋板提高變壓器油橫向流動速度從而增強繞組散熱的效果，并在此基礎上開展熱老化評估。
在Simdroid中繪制的典型油浸式電力變壓器二維模型
借助Simdroid的多物理場耦合功能，重慶大學的研究人員可以在界面上輕松完成固體傳熱有限元方法和流體方程有限體積方法的聯(lián)合仿真計算，在電力變壓器模型中實現(xiàn)對含有復雜絕緣油通道、大量流固耦合邊界的網(wǎng)格自動優(yōu)化和高效耦合迭代。在仿真獲得的流體結果中，用戶可以通過云圖或流線圖查看流體速度的整體分布和局部細節(jié)；在溫度結果中，可以查看變壓器內部整體溫度分布，從中了解熱點位置和發(fā)熱情況。
Simdroid中耦合仿真獲得的變壓器油流速分布云圖和流線圖
Simdroid耦合仿真得到流體和固體的穩(wěn)態(tài)溫度分布
電力變壓器流熱耦合仿真的結果在工程實踐中有兩個主要用途：一是通過傳感器獲得變壓器油出口和變壓器外殼等位置的實際監(jiān)測溫度，工程師可結合仿真在正常工況時實時掌握變壓器的運行情況，在非正常工況時做出預警或檢修等判斷；二是開展設備部件運行性能參數(shù)的分析，如絕緣油和絕緣紙老化性能等。
展開 鎳鉻電阻層熱-電-力多物理場耦合仿真 ￥500
這是由于熱導致的界面應力過 大引起的。電阻層一旦分離，其局部就會過熱，這又加速了電阻層的分離。最后，在 最糟糕的情況下，電路可能會過熱并燒壞。從這一角度而言，研究由于溫差以及電阻 層和基板的不同熱膨脹系數(shù)引起的界面張力也很重要。電阻層的幾何形狀是設計電路 正常工作的關鍵參數(shù)。可以通過模擬電路來研究上述所有方面。
本案例基于一加熱電路模型，它由沉積在玻璃板上的電阻層組成，向電路施加電壓時，該電阻層產生焦耳熱。該電阻層的屬性決定了產生的熱量。模擬了加熱電路的焦耳熱分布以及熱膨脹變形，模擬結果如圖所示：
焦耳熱分布云圖
電熱板熱膨脹變形
感興趣的朋友，可下載模型源文件，歡迎交流
展開 仿真咨詢實戰(zhàn)：熱流固耦合分析
TASK
熱流固耦合分析中包括沸騰模型修正、接觸熱阻 計算和位移的傅立葉分解這三項功能。由于模型中部分區(qū)域發(fā)生了沸騰，非沸騰態(tài)下的換熱公式不再適用于計算沸騰態(tài)下的換熱量，因此需要對模型的換熱系數(shù)進行修正；接觸熱阻程序實現(xiàn)的功能是根據(jù)接觸面之間的實際接觸面積、接觸表面的材料、接觸面間隙中介質的導熱系數(shù)和接觸面的壓力計算接觸面的接觸熱阻；對于已知的位移結果，可以在二維坐標系下可以將該平面內的位移進行傅立葉分解，展開成多階傅立葉級數(shù)。
SOLUTION
主要技術挑戰(zhàn)：
沸騰修正涉及結構模型和流體模型之間網(wǎng)格的插值和數(shù)據(jù)傳遞；
接觸熱阻公式較復雜，涉及物理量較多；
位移傅立葉分解計算較復雜；
解決方案：
開發(fā)沸騰修正模板，實現(xiàn)插值和模型修正功能；
開發(fā)接觸熱阻模板，實現(xiàn)熱阻公式的計算；
開發(fā)位移傅立葉分解模板，實現(xiàn)位移的傅立葉分解，并合并各階結果；
提供豐富的參數(shù)輸入和輸出界面；
結論：
形成了完整的熱流固耦合分析模板；
模板包括了沸騰修正、接觸熱阻和位移傅立葉分解功能。
Customer Benefit
熱流固耦合分析模板搭建的流程包含了沸騰修正、接觸熱阻和位移傅立葉分解的功能，已經(jīng)直接集成在柴油發(fā)動機仿真分析模板系統(tǒng)中，成為了柴油機整體仿真方案的一部分。
本文來自安世亞太微信公號，如果您對耦合分析有需求或感興趣，歡迎聯(lián)系溝通：
400-6600-388
展開 紅外加熱爐冷卻通道設計及熱-流耦合仿真 ￥1000
紅外加熱爐是一種利用紅外輻射技術進行加熱的熱處理設備。它通過將電能轉化為紅外輻射能量，直接將熱能傳遞給物體，達到加熱的目的。紅外加熱爐的工作原理是基于物體對紅外輻射的吸收。紅外輻射能量可以被各種物體直接吸收并轉化為熱能，而無需通過傳導或對流來傳遞熱量。當物體暴露在紅外輻射源附近時，紅外輻射能量被物體吸收，使物體內部溫度升高。
本案例設計建立了一紅外加熱爐，并對模型進行了一定的簡化處理，基于COMSOL軟件的多物理場耦合相關模塊，仿真了爐內物體的加熱和冷卻過程。模型圖和仿真結果如下所示：
感興趣的朋友，歡迎交流合作！
航空發(fā)動機整機流固熱耦合仿真
隨著計算流體力學的發(fā)展以及計算性能的提升，對航空發(fā)動機整機仿真成為了可能，本教程對KJ66航空發(fā)動機進行整機仿真，整機仿真結合氣動、傳熱、燃燒、多相流、固體應力，將航空發(fā)動機從冷態(tài)計算至熱態(tài)，即仿真始于冷態(tài)，終于熱態(tài)。
KJ66航空發(fā)動機幾何模型如圖，對航空發(fā)動機氣熱彈耦合仿真，計算采用穩(wěn)態(tài)，氣動的計算采用求解粘性N-S方程的方法，燃油的噴射計算采用拉格朗日多相流，燃燒的計算采用有限速率的渦耗散模型，流體與結構的相互作用(FSI)采用雙向耦合的方式。
流體結構相互作用 (FSI)是指一種耦合的表面問題，其中流體模型的狀態(tài)取決于結構模型的狀態(tài)，反之亦然。這種相互關系可以是對稱或非對稱的。非對稱問題通常指單向耦合問題，表示其中一個模型是獨立的，另一個模型則具有關聯(lián)性。
流體結構相互作用(FSI)耦合交界面處的對應流體和固體移動時運動學特性（位置、速度和加速度）相同，受到的力也相同。
從流體傳遞到固體的信息是流體拉力，它由流體壓力和壁面剪切應力組成的。此傳遞發(fā)生在耦合壁面邊界流體-結構交界面）上。
從固體傳遞到流體的信息是固體的變形，尤其是流體-結構交界面的變形。
一般情況下，F(xiàn)SI模擬在運動學和力方面保持一致，稱為雙向耦合，在STAR-CCM+中，雙向耦合FSI問題是指從流體到固體和從固體到流體的交換的綜合采用并行求解方法。
進行航空發(fā)動機整機氣熱彈耦合仿真的STAR-CCM+版本為STAR-CCM+ 2206.
將航空發(fā)動機整機從冷態(tài)模型計算至熱態(tài)模型后發(fā)動機伸長約1mm。
詳細計算結果如下：
速度
溫度
溫度
位移
固體應力
文章來源：STAR CCM仿真學堂
展開 壓力容器內的熱-流多物理場耦合數(shù)值仿真 ￥1000
仿真結果展示如下所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202204/imgs/342d08917781496b810f4fcd22fe8364.png" alt="m1.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>幾何模型</strong></p><div contenteditable="false" width="100%">
<img src="https://img.jishulink.com/202204/imgs/4f1eace9fa1d4d2fbe7753f109b4d5a9.gif" title="Untitled1-速度.gif" alt="Untitled1-速度.gif" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/202204/imgs/4f1eace9fa1d4d2fbe7753f109b4d5a9.gif?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/202204/imgs/4f1eace9fa1d4d2fbe7753f109b4d5a9.gif?
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，一個是驅動電機部分：包括定子鐵芯、定子繞組、永磁轉子以及定子外殼；另一個是血液流動區(qū)域：包括前后導輪及其導葉、旋轉葉輪、軸承以及泵殼。血泵結構如圖1所示。
圖1 軸流血泵整體結構
利用商用流體仿真軟件進行相關邊界條件的設定，主要包括材料屬性、湍流模型、進出口邊界條件、轉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 基于comsol的熱流光學耦合的紋影法仿真 ￥1600
image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p><br></p><p> 紋影法一種常用的光學觀測方法。其基本原理，是利用光在被測流場中的折射率梯度正比于流場的氣流密度進行測量，廣泛用于觀測氣流的<a href="https://baike.baidu.com/item/%E8%BE%B9%E7%95%8C%E5%B1%82/4859516" rel="noopener noreferrer" target="_blank">邊界層</a>、燃燒、<a href="https://baike.baidu.com/item/%E6%BF%80%E6%B3%A2/825784" rel="noopener noreferrer" target="_blank">激波</a>、氣體內的冷熱對流以及風洞或水洞流場。</p><p> 原理：利用光在被測流場中的折射率梯度正比于流場的氣流密度的原理，將流場中密度梯度的變化轉變?yōu)橛涗浧矫嫔舷鄬鈴姷淖兓箍蓧嚎s流場中的激波、壓縮波等密度變化劇烈的區(qū)域成為可觀察、可分辨的圖像，從而記錄下來。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202101/85558facf5fd4d63b506f2433da4251d.gif"></p><p><br></p><p><br></p><p>此次用comsol搭建一個簡單的紋影法的光路，在凹面鏡的焦距前方發(fā)射光源 ，在焦距后方接收。
展開 COMSOL鋰電池技術仿真與應用(九)鋰電池電-熱-力-相全耦合模型搭建與應用
在紐曼框架基礎上，可以耦合各種其他物理過程方程來擴展模型的能力(應對紐曼模型描述不了的場景)
電熱耦合
電化學-熱耦合模型是基于電化學反應產熱而建立的電池模型，在紐曼模型的框架上耦合固體傳熱接口，主要用于模擬電池的溫度變化分布情況。鋰離子電池電化學-熱耦合模型由兩部分組成：研究電池內部化學反應的電化學模型以及描述電池溫度分布的熱模型。這兩個部分分工明確并相互耦合。首先，電化學模型計算出發(fā)熱功率，然后將發(fā)熱功率傳遞給熱模型，熱模型根據(jù)發(fā)熱功率計算出溫升，然后將此時電池溫度傳遞給電化學模型中受溫度影響的各參數(shù)，以此互相耦合實現(xiàn)電池的電壓和溫度模擬。電化學-熱耦合模型涉及的理論方程也分為兩部分，一部分是電化學模型所用 到的電荷守恒、質量守恒以及電極動力學，另一部分是熱模型構建所用的結合生熱、傳熱與散熱的能量守恒關系。兩部分相互耦合，使得模型能夠準確地反映出電池的電化學性能與熱性能，示意圖如下。?
電力耦合
電化學-力耦合模型基于電化學插層反應而建立的電池模型，在紐曼模型的框架上耦合固體力學接口，主要用于模擬電池的內部應力變化分布情況。
展開 【9月21-23日 鄭州 斯姆勒】流-熱-固多場耦合數(shù)值仿真與工程應用專題培訓
各企事業(yè)單位：
流-熱-固多場耦合現(xiàn)象廣泛存在于工程產品中，覆蓋于各個行業(yè)的應用，但是由于流-熱-固分析牽涉多場單向/雙向耦合計算等特點，使得設計和分析人員難以處理復雜的熱、結構、流體的耦合計算問題。目前對于這方面的系統(tǒng)性培訓比較缺乏，本培訓基于ANSYS Workbench軟件深入講解流-熱-固多場耦合分析的基本原理，求解方法和多場單向/雙向耦合分析的解決方法。為了讓廣大結構設計人員和CAE分析工程師掌握ANSYS Workbench平臺下流-熱-固多場耦合分析這個強大的多場耦合分析的模塊，特開設了“流-熱-固多場耦合數(shù)值仿真與工程應用專題培訓”課程。具體內容如下：
一、培訓目標：
（一）、理解流-熱-固多場耦合分析的計算原理；
（二）、掌握ANSYS workbench軟件的使用功能和操作流程；
（三）、掌握流-熱-固多場耦合分析的計算方法和分析技巧；
（四）、掌握解決流體、結構和熱多場耦合耦合、熱疲勞、熱斷裂計算等熱點問題；
（五）、培養(yǎng)獨立工程結構的流-熱-固多場耦合分析能力。
二、增值服務：
1、贈送培訓同屏錄制高清視頻（價值2680元）
2、贈送資料包；
3、一個單位同時報名2人享有9折優(yōu)惠； 一個單位同時報名3人以上（含）享有8.5折優(yōu)惠；持本人學生證享有8.5折優(yōu)惠。
展開 【9月21-23日 北京 斯姆勒】流-熱-固多場耦合數(shù)值仿真與工程應用專題培訓
各企事業(yè)單位：
流-熱-固多場耦合現(xiàn)象廣泛存在于工程產品中，覆蓋于各個行業(yè)的應用，但是由于流-熱-固分析牽涉多場單向/雙向耦合計算等特點，使得設計和分析人員難以處理復雜的熱、結構、流體的耦合計算問題。目前對于這方面的系統(tǒng)性培訓比較缺乏，本培訓基于ANSYS Workbench軟件深入講解流-熱-固多場耦合分析的基本原理，求解方法和多場單向/雙向耦合分析的解決方法。為了讓廣大結構設計人員和CAE分析工程師掌握ANSYS Workbench平臺下流-熱-固多場耦合分析這個強大的多場耦合分析的模塊，特開設了“流-熱-固多場耦合數(shù)值仿真與工程應用專題培訓”課程。具體內容如下：
一、培訓目標：
（一）、理解流-熱-固多場耦合分析的計算原理；
（二）、掌握ANSYS workbench軟件的使用功能和操作流程；
（三）、掌握流-熱-固多場耦合分析的計算方法和分析技巧；
（四）、掌握解決流體、結構和熱多場耦合耦合、熱疲勞、熱斷裂計算等熱點問題；
（五）、培養(yǎng)獨立工程結構的流-熱-固多場耦合分析能力。
二、增值服務：
1、贈送培訓同屏錄制高清視頻（價值2680元）
2、贈送資料包；
3、一個單位同時報名2人享有9折優(yōu)惠； 一個單位同時報名3人以上（含）享有8.5折優(yōu)惠；持本人學生證享有8.5折優(yōu)惠。
展開 
積鼎CFD VirtualFlow 基于熱限制相變和流固耦合模型的冷板共軛傳熱相變仿真
本文將利用積鼎通用流體仿真軟件VirtualFlow對水平冷板的共軛換熱進行模擬，主要涉及相變過程的流動和傳熱傳質問題，通過分析為高熱流電子設備散熱設備設計提供指導。仿真過程將用到VirtualFlow自主開發(fā)的熱限制相變模型和流固耦合模型。
編輯
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01 熱限制相變模型
飽和溫度相變模型，即界面兩側流體對界面的熱擴散正好被相變潛熱抵消。使用該模型的時候，需要確保界面處的網(wǎng)格足夠小，以保證流體網(wǎng)格中心與界面之間的換熱計算是準確的。
02 耦合模型
計算流固耦合傳熱問題的首要問題是建立界面兩端的溫度與熱通量之間的關系，使耦合求解流體域和固體域的溫度場成為可能。
貼體網(wǎng)格的情形，流固界面和網(wǎng)格界面正好重合，可由下面的公式建立界面兩邊網(wǎng)格溫度與界面熱通量的關系:
VirtualFlow引入IST技術，使用笛卡爾網(wǎng)格，以非貼體的方式描述任意復雜界面，流固界面與網(wǎng)格之間界面不重合。以下是VirtualFlow的處理方式。
一般VirtualFlow中，通過Heaviside階梯函數(shù)打開或者關閉特定區(qū)域的流場求解。當共軛傳熱模塊關閉時，階梯函數(shù)H在流體域內為1，在固體域內為0（如果不打開TSolid功能）。當開啟共軛傳熱模塊時，階梯函數(shù)H為固體階梯函數(shù)和流體階梯函數(shù)的復合，即在全體計算域內皆是1，因此固體和流體內的溫度場同時求解。
展開 積鼎 VirtualFlow 案例 | 環(huán)路熱管相變換熱模擬，實現(xiàn)微通道氣液兩相、單相及流固耦合仿真計算
基于軟件在沸騰換熱、冷凝換熱和毛細力現(xiàn)象等方面有高精度的預測能力，所以可以在化工、核電、汽車、電子電器、生物等相變換熱場景較多的行業(yè)進行推廣應用。
