共軛傳熱分析的案例
雙螺桿壓縮機流固共軛傳熱CFD分析 附基于SCORG和Simerics MP 的CFD雙螺桿泵數值模
圖9 考慮流固共軛傳熱壓力分布:
(a) 24° (b) 48° (c) 72° (d) 96° (e) 120°
下表比較了有和沒有考慮共軛傳熱情況下氣體質量流量和轉子功率的差異：
可以看出，考慮和不考慮共軛傳熱相比，質量流量和轉子功率的預測誤差小于1%。與實驗結果相比較，兩種結果對流量的預測都高出約4-5%。這種誤差可能是由間隙尺寸的不準確性引起的。功率預測與實驗相差約1%。可以看出，對于該給定模型，流固耦合共軛傳熱對壓縮機性能的影響很小，因此不考慮耦合傳熱的模擬結果是可以接受的。
基于固體溫度模擬結果，利用Simerics-MP+ CFD軟件包中的應變-應力求解器對固體熱應力/膨脹進行了預測。上圖描繪了由于徑向熱膨脹引起的轉子固體位移。該彩色圖例范圍從0到50微米，洋紅色代表高位移，藍色代表低位移。徑向最大位移約為50微米。需要注意的是，本文中的熱膨脹是單向耦合預測。熱膨脹的結果沒有反饋到流體模型中。
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<p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202007/672cd980a92a4aab8f2d13ba2802fe03.gif" alt="image31.gif"></p><p>共軛傳熱常見于很多場景，如設計電子元器件的散熱器時，我們可以結合散熱器中的傳導和周圍流體中的對流來進行優化。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202007/2236dd0a05f4419ca40354f56246baaa.png" alt="adv-fluid-circuit-board.png"></p><p><strong>圖1- Abaqus電子產品散熱分析</strong></p><p>共軛傳熱綜合了固體和流體的傳熱，其中固體傳熱以傳導為主，流體傳熱則以對流為主。</p><p>固體傳熱：</p><div contenteditable="false" width="100%"><img src="https://img.jishulink.com/upload/202007/ddeb5e3ca36446f5a75c4293f7e95a86.png" title="latex.png" alt="latex.png" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202007/ddeb5e3ca36446f5a75c4293f7e95a86.png?
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固體受熱膨脹會導致金屬部件發生過度磨損，從而造成泄露間隙的改變，進而對產品的性能產生影響，為了準確預測壓縮機的熱力學特性，兼顧產品研發周期和經濟性，通常采用CFD技術對壓縮機的流固共軛傳熱（CHT）問題進行研究。但是，由于固體的傳熱速度要比壓縮氣體的慢得多，如果利用CFD技術直接對固體結構和氣體介質進行耦合傳熱模擬，可能需要計算足夠多的壓縮機旋轉數后才能得到一個穩定的CHT解，那么模擬的運行時間可能就變得不切實際。因此，尋求一種先進的方法解決流固共軛傳熱問題迫在眉睫。
2 難點分析
目前，利用CFD技術進行螺桿壓縮機流固共軛傳熱分析存在以下問題：
間隙設計是螺桿壓縮機中的重要問題，間隙必須足夠小以提高容積效率，同時又必須有足夠的間隙來防止轉子干涉。
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Simerics | 雙螺桿壓縮機流固共軛傳熱CFD分析
作為對比，在流固界面建立了絕熱壁面的流體模型，即不考慮流固共軛傳熱。在這種情況下，不同的曲軸角度下，界面溫度不斷的發生變化。
圖8為在不考慮流固共軛傳熱情況下，五種不同曲軸轉角下
（
分別為（a）24°；
（b）48°；（c）72°；（d）96°；（e）120°
）陽轉子的溫
度分布。
圖8 不考慮流固共軛傳熱溫度分布
瞬時溫度不再是由下至上分層漸變分布。相反，溫度在每個腔體中有相似的值。而且，溫度范圍也明顯更高。這意味著由于金屬較大的熱慣性，轉子表面溫度實際上比絕熱壁面假設的溫度更溫和、更均勻、呈層狀分布。
圖9為考慮流固傳熱情況下，5個曲軸角度下（分別為（a）24°；（b）48°；（c）72°；（d）96°；（e）120°）轉子的壓力云圖。
圖9 考慮流固共軛傳熱壓力分布
圖中彩色圖例范圍從1bar到2.5bar，洋紅色代表高壓，藍色代表低壓。每個流體壓縮腔中的壓力與預期值相似。當壓縮腔從入口移動到出口時，由于流體體積的逐漸減少，壓力增加。與溫度分布不同的是，轉子表面的壓力分布幾乎是均勻的。這意味著共軛傳熱對壓縮機性能的影響很小。
展開 【資料】FLUENT官方教程：共軛傳熱
FLUENT共軛傳熱.pdf
FLUENT模擬流-固耦合散熱.part1.rar
FLUENT模擬流-固耦合散熱.part2.rar
CFD|共軛傳熱
共軛傳熱Conjugate heat transfer
固體傳熱以傳導為主，流體傳熱則以對流為主，共軛傳熱綜合了固體傳熱和流體傳熱，同時包含固體和流體的一種耦合換熱現象。共軛傳熱在計算的時候，需準確計算材料之間通過的介質或接觸的熱傳遞。
本文介紹了midas NFX CFD共軛傳熱的計數原理及結合示例了解整個流程
傳熱分析與線性靜力分析的比較
結構傳熱分析與流熱耦合分析
需要研究，對象周圍的流體的分布及對周邊環境的影響，自然或強制冷卻需采取流固耦合分析。
當流體溫度可被簡化為均勻圍繞固體部件，研究僅在加熱條件下的結構組件的行為（對流，產生熱量，輻射）及由于熱負荷（熱應力分析).造成零件的應力和變形。
技術原理
均勻物質中的熱傳遞
熱傳遞控制方程可以從能量守恒定律中推導出來，即外部供應的能量，以及對流和傳導流出的能量量是恒定的。
傳導是物質的分子間相互作用導致熱擴散的現象，與溫度梯度成比例，稱為Fourier’s Law。也就是說，熱傳導傳遞的熱流速
（heat flux）
與溫度梯度成正比，微小區域的能量變化量如下所示：
??:熱傳導率
(thermal conductivity)
T
:溫度
對流是通過流體的運動傳遞能量的現象，是強制對流(forced convection)和自然對流（natural convection）。強制對流是指流體的運動是由外部運動量引起的，而自然對流是由溫度引起的密度差引起的流動。
展開 FLUENT中進行共軛傳熱計算
共軛傳熱：流體傳熱與固體傳熱相互耦合。由于流體求解器同時具備流體與固體傳熱計算的能力，因此可以直接采用流體求解器進行求解，無需使用流固耦合計算。流體求解器能夠求解流體對流、傳導、輻射傳熱，對于固體傳熱計算，只能求解熱傳導方程。
本例演示共軛傳熱問題在FLUENT中的求解方法。
1、問題描述
如圖1所示的計算區域，既包含流體區域也包含固體區域。在初始狀態下，流體域與固體與溫度均為293K，然后給固體域底部施加恒定溫度434K，計算分析計算域內溫度隨時間分布規律。邊界條件如圖中所示。
圖1計算域描述
2、建立幾何模型并劃分網格
利用DM建立如圖1所示2D平面幾何。采用全四邊形網格劃分，如圖2所示。
為所有邊界命名，尤其是流體和固體區域交界面，后面需要在求解器中進行設置。
3、進入Fluent求解設置
本例為瞬態計算。
涉及到熱量傳遞，因此需要激活能量方程。
流體介質為理想氣體，考慮其在溫度影響下密度變化。
考慮重力影響，設置重力加速度向量[0,-9.81,0]，設置操作密度為0。如圖3所示。
壓力-速度耦合方程采用PISO求解方式，對流項計算采用QUICK算法，其他項采用二階迎風格式。
圖2網格模型
圖3 操作項設置面板
設置流體域介質為air，固體域介質為默認的AL。
按圖1所示邊界條件設置計算域邊界。
創建交界面，如圖4所示進行設置。
圖4 設置交界面
4、初始化計算
設置初始化溫度293K，如圖5所示。
圖5初始化面板
設置自動保存選項與動畫錄制項。
設置時間步長0.1s，時間步數100，內迭代次數20。
進行求解計算即可。
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電子元件的空氣散熱為流固共軛傳熱問題。利用abaqus可以模擬這一過程。分別建立空氣流體與固體元件模型，然后聯合求解。可以清晰地得到流體溫度場、壓力場、速度場及固體溫度場變化。附件為cae及inp
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的耦合 CFD 仿真，則絕對無法對發動機和排氣系統中的熱相互作用進行準確建模。
圖 5a：發動機表面溫度
圖 5b：發動機周圍的水平剖切面
如圖 6 和圖 7 所示，較大的溫差會導致強烈的輻射傳熱。要在此處實現準確的熱預測，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：排氣系統的靜態溫度和車身底部的流動結構
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自主開發的熱限制相變模型和流固耦合模型。
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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格足夠小，以保證流體網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。
貼體網格的情形，流固界面和網格界面正好重合，可由下面的公式建立界面兩邊網格溫度與界面熱通量的關系:
VirtualFlow引入IST技術，使用笛卡爾網格，以非貼體的方式描述任意復雜界面，流固界面與網格之間界面不重合。以下是VirtualFlow的處理方式。
一般VirtualFlow中，通過Heaviside階梯函數打開或者關閉特定區域的流場求解。當共軛傳熱模塊關閉時，階梯函數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H為固體階梯函數和流體階梯函數的復合，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 ICFD的近期與未來發展摘要
幸而LS-DYNA皆具有非線性與線性的分析工具，在這一節中，我們將著重在一個可以被應用在流固耦合分析或共軛傳熱分析的線性化之耦合方法，它發生在當流體力學的求解器計算得出穩態下的力、速度和溫度通量分布之后，在同一個運行中，將物理量場流暢地傳遞到結構力學求解器的部分。并且，若使用關鍵詞*ICFD_DATABASE_DRAG，用戶可以將流場信息存儲在LS-DYNA格式的檔案中，并且在結構模型中利用這個檔案將流場信息導入，如此一來在不用實際額外執行流體的計算之下，流場的信息可以被反復使用，這個特點在進行結構模型、材料特性、厚度等參數調試時，非常有利用價值。下面兩個例子顯示將上述功能應用在流固耦合以及共軛熱傳問題的情形。
流固耦合在地面車輛上的應用
第一個例子是地面車輛車頂蓋在流場影響下變形的流固耦合分析，其模型顯示如圖一。
圖一：研究車頂蓋結構受流場影響下變形的車輛模型。
這個問題利用了三種不同的方法解決。第一個方法利用非線性瞬時流固耦合分析，其中固體結構與流體求解器利用強耦合連結，并且以隱式法求解，這個方法是三種方法中最準確的耦合方式，其解應被視為是參考解。第二個方法先使用穩態位勢流求解器，隨后利用位勢流求得的壓力場，求取非線性結構解。使用位勢流求解器隱含著流場貼近邊界和流場為層流的假設，但是事實上，在這個問題中流場并非層流，但是仍是貼合邊界的，所以所得出的壓力場可以預期和納維?斯托克斯解的差別仍在合理范圍之中，因此可以接著被使用在結構位移的預測中。第三個方法則將非線性耦合分析求得的結構受力，以結構模型中的負載段存取到LS-DYNA的輸入文件。
展開 FLUENT流-固-熱耦合分析
FLUENT流-固-熱耦合分析
ANSYS FLUENT軟件自V2019版本起，新增了Structure結構求解功能，能夠基于Fluent軟件進行簡單模型的結構應力、變形分析，具備線性及非線性結構分析功能。本案例基于ANSYS FLUENT 2020R1進行管道閥門流-固-熱三場耦合分析。
1 模型描述
如圖所示尺寸的三維管道模型，管道模型中存在4個簡化的閥瓣模型，給定管道入口氣體流速為10m/s，閥板內給定體積熱源為2000000w/m^3；
閥瓣模型材料參數：
密度：2700kg/m^3；
比熱：871J/kg.K；
熱傳導系數：202W/m^2.K；
楊氏模量：2.5E7Pa；
泊松比：0.37；
2 網格劃分
本案例網格基于ANSYS ICEM CFD進行全六面體網格劃分，網格如下圖所示：
流體區域：480000六面體網格；
固體區域：3800六面體網格。
3 FLUENT求解設置
求解計算分兩步完成，首先不考慮結構變形對流體-固體進行穩態共軛傳熱分析，然后基于上一步仿真計算結果考慮流固耦合作用實現瞬態流-固-熱耦合仿真分析。
3.1流固共軛傳熱仿真
? 啟動FLUENT軟件，利用菜單File>>Read case….打開文件對話框，讀入網格文件vavle_test.msh；新版本顯式界面如下：
? 新版本的FLUENT軟件默認選擇k-w sst湍流模型，本案例不做修改；
? 激活能量方程
? 邊界條件設置
1）固體區域熱源：2000000W/m^3；選擇對應的固體區域，勾選source terms加載能量源項。
展開 RecurDyn熱力學仿真新突破：摩擦生熱與油冷散熱的集成解決方案
<strong>高效熱-機耦合：</strong>獨特的 MFBD + FFlex 技術實現“熱-變形-運動”強耦合分析，并提供剛體熱仿真和熱傳導加速選項提升效率。</p><p>3.<strong>完整散熱閉環：</strong>與 Particleworks 聯合仿真，完美解決復雜油冷散熱等挑戰性場景，實現共軛傳熱分析。</p><p>4.<strong>驅動設計優化：</strong>為齒輪箱熱管理、剎車系統熱衰退分析、電機噴油冷卻設計等關鍵應用提供可靠依據，提升產品性能和可靠性。</p><p><br></p><p><br></p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/bcq1RnfYQy85iaiazdXh3q0DTRHsBcNRMseicibCoo5vQnvkDVDQPnckLXyJ84Z7csvX30yIGepZaL0CIeRaUy6sxQ/640?wx_fmt=jpeg&from=appmsg"></p><p><br></p>
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