Particleworks耦合传热：高效解决流固传热难题

ParticleWorks是基于MPS（Moving Particle Semi-implicit）移动粒子半隐式法的CFD分析软件，可以很好地模拟流体的飞溅、自由液面流动等过程。用户不必对几何结构进行繁琐的网格划分，直接设置几何的运动边界、流入/流出等条件，并用一群粒子代替流体，通过显式方法计算每一时刻粒子的粘度、位置、速度、温度等信息，隐式方法求解压力方程并基于压力梯度完成结果的显式修正，完成预设时间步的递进计算，最终获得流体在整个时域范围的运动信息。

       

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在当前的版本中，Particleworks可以添加4种材料属性，分别为：Fluid、Solid、Polygon、Powder。其中Solid、Polygon这两种材料均能模拟固体边界，可以实现流体Fluid与固体之间的耦合传热计算。若采用Solid模拟壁面，那么Particleworks中固体域的处理方式与流体域的处理方式一致，会将固体离散成一群粒子，基于Thermal传热模型，实现粒子之间的相互作用，获得能量、温度的变化。若采用Polygon模拟壁面，则需要采用CHT模型，基于流体与固体之间的对流传热系数HTC，计算流体、固体之间的传热过程；除此之外，CHT模型中还可以考虑固体的热阻，实现固体内部及不同固体之间的传热；甚至设置环境温度，考虑固体与环境之间的传热。

   

   

   

Particleworks的CHT（Conjugate Heat Transfer）耦合传热模块，可以进行Unsteady瞬态和Steady稳态的传热求解。采用瞬态传热计算，求解器通过判断时间步长和物理时间，控制求解进程；可以直接实现流体粒子、与固体之间的耦合传热。采用稳态传热计算，求解器通过计算结果的收敛程度控制求解进程；需要注意的是，稳态传热中忽略了流体，只计算固体的温度变化，如果需要分析流固的耦合传热，可以将流体的温度、热流、对流换热系数等结果，作为边界添加到稳态热分析中。

 

 

Particleworks的CHT耦合传热求解模块中，首先需要确定Grid类型，即固体的离散方式。笛卡尔Cartesian类型是整个分析域中固体边界采用统一的分辨率实现耦合传热计算；Unstructured是表示耦合传热中，不同的固体采用不同的尺寸大小；确定不同的离散类型可以优化计算模型，对提高计算精度降低计算成本有很大的帮助。

   

流固耦合传热求解时，Particleworks提供了两种不同的求解算法：1）基于流体和固体之间的导热系数Heat Conduction；2）基于流体和固体之间的对流换热系数HTC（Heat Transfer Coefficient）。HTC数值的大小，Particleworks可以通过参数设置的方式，也可以通过努塞尔公式进行估算。

3.1 Physicalproperty manager

在属性设置界面，添加各流体与固体材料之间的HTC值。耦合传热中，对流换热系数类型为Const时，采用此处设置的HTC值，完成流体-固体之间的耦合传热。

 

3.2 Heat Transfer Coefficient

Particleworks中Heat Transfer Coefficient模型，可以基于流体流速、密度、导热系数、比热等参数，计算出流体-固体之间的对流换热系数。

耦合传热中，对流换热系数类型为Calc时，采用该模型求解获得的HTC值，完成流体与固体之间的耦合传热。对流换热系数求解模型如下图所示：

 

综上，Particleworks可以基于较低的计算成本，有效解决工程师在关注流体飞溅、自由液面流动特性的同时，考虑流固耦合传热方面的难题。Particleworks的耦合传热求解条件设置简便，结合非结构、可变分辨率的几何边界，能提高耦合传热的计算精度及效率。同时，Particleworks可以分别实现换热系数、耦合传热模型的控制，在实际工程问题中，有广泛的应用价值。例如在新能源动力总成的研发设计中，可以直接进行流固耦合传热分析；或模拟润滑过程的同时获得对流换热系数，与其他软件耦合实现热应力分析等。

       

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来源：CFD之道