淺談基于ANSYS Workbench平臺的流-熱-固多場耦合的算法

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(jì)算是必不可缺的，基于ANSYS Workbench可以實(shí)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(jì)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。

1、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(jì)算，該算法的基本思想是在一個單元節(jié)點(diǎn)上擁有三個方向節(jié)點(diǎn)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(qiáng)耦合的問題，例如摩擦生熱計(jì)算，塑性變形生熱，粘性生熱計(jì)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(dāng)然還有三種退化單元形狀，建議在計(jì)算中避免使用退化形狀，因?yàn)橥嘶瘑卧獣档颓蠼饩取?/p>

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(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的熱-固直接耦合計(jì)算。

2、迭代耦合迭代耦合，主要通過兩個不同的求解器完成不同場的變量求解，然后通過一個數(shù)據(jù)映射模塊，再考慮場之間耦合的一種方法。該方法適用于流-固耦合計(jì)算，流-熱耦合計(jì)算。該種方法，流體的求解主要通過Fluent完成，結(jié)構(gòu)的求解可以使用結(jié)構(gòu)模塊或結(jié)構(gòu)熱模塊，由用戶的需求確定。場之間的數(shù)據(jù)交換模塊稱為系統(tǒng)耦合器，如圖3所示。

圖3 基于系統(tǒng)耦合器的迭代耦合計(jì)算 圖4和5分別給出了基于系統(tǒng)耦合器的流固和流熱耦合計(jì)算分析系統(tǒng)。

流固耦合計(jì)算中，主要通過系統(tǒng)耦合器交換流體壓力與結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)，流熱耦合計(jì)算中，主要基于對流換熱計(jì)算公式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖4 基于系統(tǒng)耦合器的流固耦合計(jì)算

圖5 基于系統(tǒng)耦合器的流熱耦合計(jì)算 如圖6所示，給出了迭代計(jì)算過程中場之間的數(shù)據(jù)映射無誤差曲線，默認(rèn)的數(shù)據(jù)映射殘差為1%。

圖6 迭代計(jì)算過程中場之間的數(shù)據(jù)映射誤差曲線
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