ansys-workbench的管道热流固耦合案例

管道的热固耦合计算及管道热应力分析（简单介绍，仅供参考所做案例并无实际意义）一、案例简介如图1所示的管道，水平管道长度为150mm，直径为24mm，竖直管道直径为16mm，高度为50mm，分别距离左端面45mm和95mm，整体管道壁厚为2mm。20℃的低温水从左端的入口流入，流速为1m/s，50℃的液态水和80℃的液态水分别从竖直的管道流入，流速均为0.5m/s，冷热水流混合后从右端流出，周围的环境温度为20℃。二、设计思路几何模型建立流体域网格划分Fluent计算温度加载稳态热分析温度加载热应力分析三、模型建立在workbench的工具箱中拖拽FluidFlow（Fluent）、Steady-StateThermal和StaticStructural模块进入工作界面中，数据传送关系如图2所示。图1管道结构示意图图2数据传送关系在SolidWorks中建立相应模型，并转化成ansys适用的x_t格式。双击A2打开DesignModeler，导入相应模型。选择Tools工具栏下的Fill命令，选定管道内壁的三个面，单击DetailsView面板中的Apply按钮，之后单击Generate按钮，生成相应的流体域，并将流体域命名为Fluid。在流体域Fluid中分别定义冷流入口端面，热流入口端面1，热流入口端面为2为coldinlet，hotinletone和hotinlettwo，定义出口端面为outlet。选定所有外部壁面定义为wall。最后定义耦合面，定义流固交界面流体一侧的三个面为interfacef2s，定义流固交界面固体一侧的三个面为interfaces2f，面的选取如图5所示。图3模型分别在SolidWorks中和在DesignModeler中显示图3fill命令选取内部面图4入口出口命名图5流体域和固体域边界图示四、网格划分双击A3打开Meshing模块，网格划分主要有三部分，选定固体域定义网格方法为AutomaticMethod，选定流体域定义网格方法同样为AutomaticMethod，最后，在流体域中选择与固体域相交的三个面定义膨胀层Inflation。为了使网格更合适质量更好，在detailof‘mesh’面板中定义相应参数，其中定义Relevance为100，RelevanceCenter为fine，Smoothing为High，SpanAngleCenter为Fine，其余选项均保持默认即可。单击GenerateMesh生成网格，得到节点数为64628，网格数量为190857。观察网格质量，网格质量总体均在0.5以上，基本可以认为网格质量良好。五、fluent计算双击A4，打开Fluent，保持默认设置，按照流程树逐项进行设置，首先在general面板中，单击Scale，设置视图中的单位为mm，紧接着单击check，检查网格，确定网格没有负体积，至此，网格基本可以认为没有问题，按照视图中方为设置重力方向为Y轴负方向。其他选项保持默认。单击models面板，打开能量方程，并选用标准的k-episilon(2eqn)Viscous模型。单击materials面板，加载液体材料为water-liquid，加载固体材料为Steel。单击CellZoneConditions面板，给流体域施加water-liquid材料，给固体域施加Steel材料。单击BoundaryConditions面板，添加边界条件，coldinlet为冷流入口，水流速度为1m/s，水流温度为20℃，湍流强度5%，水力直径20mm；hotinletone为热流入口1，水流速度为0.5m/s，水流温度为50℃，湍流强度为5%，水力直径为16mm；hotinlettwo为热流入口2，水流速度为0.5m/s，水流温度为80℃，湍流强度为5%，水力直径为16mm；wall的温度为环境温度20℃；outlet自由处流，设置出口压力为0Pa，湍流强度为10%，水力直径为20mm。单击MeshInterface面板，观察自动生成的耦合面，查看是否有问题。图6网格划分设置图7网格质量图5划分的网格考虑到本次案例模型简单，边界条件也不复杂，所以SolutionMethods，SolutionControls采用默认设置即可。单击Monitor面板双击Residuals设置计算的残差为1e-5。单击SolutionInitialization选择StandardInitialization，Computefromall-zones，单击Initialize完成初始化。单击RunCalculation面板设置迭代步数为500，单击Calculate进行计算。图12和图13仅显示了冷流入口的设置，其余的入口和出口以及避免的设置与图12和图13的设置方法相同，不在作图展示。图8单位设置图9general面板设置图10模型面板设置图11材料面板设置图12冷流入口流速和强度设置图13冷流入口温度设置图14自动生成的接触面图15初始化设置图16计算设置图17残差设置图18迭代曲线单击Graphics面板，选中Contours后单击SetUp，为便于观察，单击NewSurface下的Plane新建一个平面，根据本次案例的情况，需选用YZ平面来进行观察，平面设置如图19所示。平面设置完成后，观察所选用平面上的压力速度和温度云图。六、稳态热分析完成流体计算之后，单击B4进入稳态热分析模块，将流体区域抑制，并将固体区域生成网格，生成方法与之前类似。之后右键单击ImportedLoad—Insert—Temperature将流体计算的温度场导入，在固体域温度的接受面为固体的内表面，之前已经进行定义，直接选用即可，Cfdsurface选用计算的流固界面温度。右键单击ImportedLoad，单击右键菜单的ImportedLoad导入温度。右键单击Steady-StateThermal插入边界条件，设置外壁面的对流换热系数为10W/m2·℃，环境温度为20℃。设置三个入口的端面温度与入口流体温度一致。在solution中插入温度和总的热流量。单击solve进行求解。七、变形及热应力分析双击C5进入静态结构计算模块右键单击ImportedLoad打开右键菜单后单击ImportedLoad导入固体域的温度。右键单击StaticStructural—Insert—FixedSupport给三个入口端面图19中间平面设置图20速度云图图21压力云图图22温度云图图23流场温度导入图24稳态热力学计算结果施加固定约束。完成边界条件的加载。右键单击Solution插入总变形和应力。单击solve进行求解。图25结构静力学计算中导入温度图26温度对管道造成的应力图27温度导致管道的变形