流-固热耦合案例——T型管的热应力分析
上周末做了一个T型管的热流固耦合的案例，准备周日晚上晚饭后写出来分享给大家，然后...
周杰伦快手直播了。。。
乐队（二）也开播了。。。
我又拖更了！！！
不能再找借口了，今天一定要补上了！
分割线以下是正文———————————————————
问题描述：
计算T型水管在流入热水时，水管的热应力。
该T型管包含两个入口，两个入口的水流速度为2m/s ，其中一个入口的水流温度为80°C，另一个入口的水流温度为20°C ，出口压力为大气压0pa ，环境温度为300K 。
计算流程：
几何处理：
首先在SCDM 中分别建立流体域和固体域，分别命名为Fluid 和Solid，这里采用1/2模型进行对称简化。
添加Fluent模块
首先使用Fluent计算流体域的温度场并求得内壁面的温度分布
将Fluent计算模块拖入Workbench工作区域。导入刚刚建立好的几何模型，进入Meshing模块划分网格。
这里注意要把固体域的几何supress掉。只要导入流体域进Fluent进行计算就好。
1.命名边界
定义inlet,outlet,inlet-branch,symmetry四个边界。
2. 划分网格
划分网格时需要注意边界层的厚度，我们的计算目标是壁面的温度，所以边界层的网格需要注意，Y+值最好在1左右。
关于第一层边界层的厚度的估算，这里推荐一个Y+计算器，可以在划分网格时先用这个工具估算一下第一层边界层的高度 ,省去计算y+和调整边界层厚度的时间。
这个计算器的界面就是这样的，需要输入流速，密度，介质的粘度，想要的y+值等参数，输出的是推荐的网格高度和雷诺数。
3. FLUENT设置
启动Fluent ，选择Double Precision双精度，进入Fluent
激活能量方程，选择Relizable K-epsilon 湍流模型及Stand WallFuctions
教程上用的是Stand WallFuctions ，不过，在关注近壁面的流动时，如果网格划得好，y+划到1了，选择Enhanced Wall Treatment更不错哦。
添加材料库里的水water-liquid(h20<1>)并赋在流体域上
设置进口inlet流速为2m/s，温度为293.15K
设置进口inlet-branch流速为2m/s，温度为353.15K
设置outlet出口为Pressure-outlet ，Gauge Pressure 为0pa，温度为默认
三个出入口的Specification Method都设置为Intensity and Hydraulic diameter
Intensity=5%,Hudraulic diameter=0.008m(水力直径即为管子的直径)
确保Symmetry边界类型为Symmetry ;其余面为wall壁面，默认的绝热边界。
4.计算
求解器的设置和初始化设置都保持默认
最大迭代次数设置为250次开始迭代计算。计算收敛后自动停止。
5.结果查看
查看结果查看壁面的温度分布
Fluent中的计算工作结束，关闭界面返回至Workbench中。
下一步就是将Fluent计算得到的壁面温度导入Thermal 模块和Mechanical 模块进行热应力分析。
Thermal 模块和Mechanical 模块设置
分别将Thermal 模块和Mechanical模块拖至工作区。
将Fluent中的Geometry和Solution共享给Thermal。
Mechanical 和Thermal 之间共享材料，几何，网格。
Thermal 的Solution与Mechanical的Setup相连接。
1. 材料属性
固体材料为铝。
对于稳态热分析，唯一需要定义的参数为热导率。
对于热应力分析，还需要定义热膨胀系数
2. 网格划分
在Thermal 中划分网格，这里需要注意要将固体域Unsuppress ,将流体域Suppress。
为保证Fluent计算得到的温度数据更好的传递至固体面上，需要保证两个域的重合面上网格尺寸相近。
3. 导入温度数据
导入壁面的温度计算结果。
注意CFD Surface 下拉菜单选择Wall geom_fluid .
4. 设置约束
在Mechanical中设置添加约束：
对称面上设置Frictionless support。这个约束保证面的法向位移自由度为零，另外两个方向的转动自由度为零，与对称边界等同。
设置半圆环面为固定约束。
5. 求解及后处理
求解结束后查看T型管的总位移和应力，这个案例的网格质量不太好，所以结果只能做趋势评判。
应力云图
总结
这个案例给我们提供一种求解管路热应力的思路，通过在workbench平台里耦合流场分析，热传导分析以及应力分析三个模块，将各个模块的计算结果很好的传递到后续的分析中。
这里需要注意几点：
在流体计算时要将固体域supress掉，同理在计算应力时也要在mechanical模块中supress掉流体域。
流体计算壁面温度时，要注意壁面的网格尺寸及Y+ 值，y+最好在1左右。
流体域与固体域的重叠面的网格尺寸要保持一致，这样更有利于数据传递。
