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CFX进行共轭传热分析实例

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本文摘要(由AI生成):

共轭传热是指在热传导过程中,不同物质之间存在着耦合作用,即热流通过固体壁面进入流体内部,同时流体的运动又影响了固体壁面的温度分布。共轭传热问题的求解需要考虑流体动力学、传热学和固体力学等多个领域的知识,并采用数值模拟等方法进行计算。共轭传热在工程领域中具有广泛的应用价值,如汽车发动机散热设计、电子设备散热设计等。

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什么是共轭传热

   
   

    共轭传热(conjugate heat transfer)是指在热传导过程中,不同物质之间存在着耦合作用,即热流通过固体壁面进入流体内部,同时流体的运动又影响了固体壁面的温度分布。这种相互作用是由于热流和流体运动之间的能量交换引起的。共轭传热通常发生在流体穿过固体管道、散热器等复杂结构中的情况下。

共轭传热问题的求解需要考虑流体动力学、传热学和固体力学等多个领域的知识,并采用数值模拟等方法进行计算。共轭传热的研究可以帮助我们更好地理解热传导的机理和规律,在工程领域中具有广泛的应用价值,如汽车发动机散热设计、电子设备散热设计等。

,是指牛拉东西时,架在牛脖子上的短粗曲木。

     

    共轭:字面意思,就是两头牛架在一个共同的轭上。

 
 
 
 
 
 

    工程传热问题,往往涉及到流体和固体之间共同换热。通常地,我们采用流体分析软件模拟流体的流动,用结构热分析软件模拟固体的温度场和热应力。但是,这样各自分开计算有一个问题存在,固体与流体之间的热交换不能准确模拟,从而导致温度场分布与实际差距较大。流体分析和结构分析就像两头能耕地的牛,流体分析擅长解决与流体相关的对流、导热、辐射等问题,而结构分析擅长解决导热问题,在边界条件输入上可以考虑对流和辐射边界,把它们绑在一起就可以有力解决流体和固体的耦合换热问题,就像把两头牛套在一个轭上能更有力地耕地。因此,形象而不科学地,把同时考虑结构和流体的热分析问题,叫做共轭换热。

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 CFX软件介绍

   
   

    CFX是AEA Technology公司为解决工业实际问题开发的CFD商业仿真软件,这是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件。1995年CFX收购了旋转机械领域著名的加拿大公司ASC公司,推出了专业旋转机械设计与分析软件CFX-TASCflow,一度占据超过90%以上旋转机械CFD市场份额。

    1995年,CFX成功实现了全隐式多网格耦合算法,该算法以其稳健的收敛性能和优异的运算速度,成为CFD发展的里程碑。CFX采用有限体积法,在保证有限体积法守恒特性的基础上,吸收了有限元法的数值精确性。CFX在湍流模型上一直是业界领先,最先使用了SST转捩模型、大涡模拟和分离涡模拟等高级湍流模型。2003年,CFX加入全球最大的CAE仿真软件Ansys大家庭,与2006年被Ansys收购的Fluent软件,成为Ansys旗下非常强劲的两款CFD工具。 CFX软件具有以下特点:

    1)多物理场耦合求解:支持流体动力学(CFD)、热传递和化学反应等多个物理场的耦合求解;

    2)高精度数值方法:采用高阶精度差分格式、时间步进算法和自适应网格技术等,能够获得高精度的计算结果;

    3)开放式架构:支持用户自定义程序和功能,可与其他领域的仿真工具集成;

    4)易用性:提供友好的图形界面和丰富的后处理功能,便于用户进行模型构建、求解和结果分析;

    5)平台兼容性:支持 Windows、Linux 和 Unix 等多种操作系统,可以满足不同用户的需求。

    CFX软件在航空航天、汽车、能源、化工等众多领域中广泛应用,是一款功能强大的计算流体力学分析软件。

3

CFX共轭传热分析实例

   
   

01

建立CFX分析流程

 

    从Ansys Workbench的Analysis Systems中拖一个Fluid Flow(CFX)到Project Schematic中。

02

建立几何模型

 

    采用DM建立三通的结构域模型(过程略),通过Tools→Fill,选择三通的内表面进行填充,形成流体域的几何模型。

   
   
 

03

指定固体域与流体域

 

    通常来说,通过上述步骤建立的几何模型,这一步默认已经可以了,但最好还是确认一下。

    选择固体域,在Material中指定Fluid/Solid为Solid。

   
   
 

    选择流体域,在Material中指定Fluid/Solid为Fluid。

   
   
 

04

划分网格

 

    选择流体域的表面(除进、出口外),指定边界层参数。

   
   
 

    设置合适的网格尺寸,划分流体域和固体域。

05

设置边界名称

 

    分别为进口、出口、壁面等设置名称,以便后续分析设置中使用。

    选择某个需要命名的面,右键弹出的对话框填写名称。

   
   
 
   
   
 

06

分析设置

 

    双击A4(Setup),进入CFX分析设置界面。

    Analysis Type→Steady State

    右键点击Flow Analysis 1弹出菜单中选择Insert→Domain,弹出框中命名为solid,然后在弹出界面中指定固体域及材料。

   
   
 
   
 

    将默认的Default Domain重命名为fluid。

    双击fluid,设置流体域分析类型及材料,Basic Setting中将material设置为Water,Fluid Model中设置Heat Transfer为Total Energy。

   
   
 

    右键点击fluid,弹出菜单选择Insert→Boundary,弹出对话框命名为inlet_1。Basic Settings中选择Boundary Type为Inlet,Location为之前在网格划分时设置的命名inlet_1。

   
   
 
   
   
 
   
   
 

    依次分别设置inlet_2(速度5m/s,温度100℃)、outlet(默认)。

    右键单击solid,插入三通表面对流边界。

   
   
 
   
   
 

    设置固体与流体交界面,右键单击Interfaces→Insert→Domain Interface。

   
   
 

    选择流体域及固体域的交界面(交界面的名字也是前面网格划分时命名好的),勾选Heat Transfer。

   
   
 
   
   
 

07

求解

 

    关闭CFX分析设置界面,返回Workbench界面中,右键单击Solution,弹出分析设置界面。默认设置,点击Strat Run,开始计算。

   
   
 
   
   
 

08

查看结果

 

    求解完成后,返回Workbench界面下,双击Results,进入后处理界面。

直接勾选Contour,选择需要查看的结果,即可显示结果云图。

   
   
 

    通过菜单可以有更多的后处理工具,例如可以建立切面,用以显示云图。

    选择Location→Plane,建立一个Plane 1。

   
   
 

    在Plane 1的设置中,Geometry中Domain→solid,Method→YZ Plane,Color中Mode→variable, variable→Temperature,显示以YZ平面切分的固体域的切面上的温度云图。

   
   
 
   
   
 
   
   
 

4

结语

   
   

    CFX可以很方便模拟共轭传热问题,相对于Fluent来说,CFX操作更简便,适合初学者进行流体力学分析。

    以上示例非工程案例,不具有实际工程意义,仅供参考。

End

 
   
来源:一起CAE吧
FluentCFXWorkbenchSystem化学旋转机械湍流航空航天汽车电子材料热设计
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2023-04-04
最近编辑:2月前
侠客烟雨
硕士 竹杖芒鞋轻胜马,一蓑烟雨任平生
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