基于Workbench流-热-固复杂多场耦合计算方法详解

引言：目前，随着对产品的要求越来越多，单场载荷的作用响应，已经不能满足要求，所以多场耦合计算是必不可缺的，基于ANSYS Workbench可以实现结构场，流场，温度场，电场和磁场的耦合，具备解决复杂多场耦合的计算问题能力。多场耦合计算，按照场之间耦合的强度，可分为单向耦合和双向耦合。

（1）单向耦合。A场对B场有影响，而B场对A场没有影响，常见的问题就是热应力计算，一般的热应力计算中，只考虑温度对结构的影响，而忽律结构变形对温度场的影响；

（2）双向耦合。A场对B场有影响，而B场对A场也有影响，例如气动颤振问题，流场对结构的变形有影响，反过来结构变形也会影响流场。

耦合计算的方法主要包括，直接耦合法和迭代耦合法。

（1）直接耦合法，就是计算单元具备多场的自由度，可以在一个单元矩阵中完成耦合求解，常见于基于有限元方法的耦合技术，例如热-固耦合计算；

（2）迭代耦合法，就是不同场的量，分别在不同的软件环境中完成求解，然后进行数据交换，接着再进行独立计算，重复以上过程，当场之间的数据交换稳定时，终止数据交换，完成一次耦合计算，常见的就是流-固耦合计算问题。

一、流-热耦合计算

流热耦合计算，主要解决流体流动与结构的换热计算。用户可以使用Fluent模块完成流热耦合计算，也可以使用Fluent 结构热模块 系统耦合器完成计算，基于ANSYS Workbench平台可以完成单向和双向流热耦合计算。

图1 干燥器热源表面的对流换热系数

图2 换热器的温度云图

二、流-固耦合计算

流-固耦合主要研究流体流动做到结构变形，而结构变形可能会影响流体流动。基于ANSYS Workbench可以实现单向和双向流固耦合，而且可以处理结构发生大变形的双向流固耦合计算，流固耦合计算的典型应用包括，机翼颤振，管道振动，导线覆冰振动，含流体容器晃动，结构跌落入水冲击等。

图3 阀片开始过程的双向流固耦合计算

图4 机翼颤振的双向流固耦合计算

三、热-固耦合计算

热固耦合计算，主要研究结构与热载荷的相互作用。常见的热固耦合计算，就是结构的热应力，为单向耦合，此外也可以考虑双向的摩擦生热计算。如图5给出了一个滑块滑动摩擦生热的温度云图，热固双向耦合，采用耦合场单元进行解算，该单元同时具备了结构和热自由度，在一个单元矩阵里完成耦合计算，计算稳定，而且解决了温降的问题。

图5 滑动摩擦生热温度云图

四、流-热-固耦合计算

流-热-固耦合计算，主要解决涉及到流动，换热与结构变形同时考虑的情况，按照各场耦合的情况，可以分为流-热双向耦合 结构单向耦合， 目前，基于ANSYS Workbench可以实现完全的流-热-固双向耦合计算，适合解决复杂的耦合计算问题，但是该计算需要APDL命令的支持，才能实现双向耦合计算。

图6 三通管的变形与温度云图

五、直播公开课-《流-热-固多场耦合计算》

为了让更多的学员，笔者受仿真秀邀约，定于2020年12月16日晚7:30为大家带来《流-热-固多场耦合计算》免费公开课。

通过直播课，笔者将为大家带来：

1、流-热-固耦合概述

2、流-热-固耦合模拟方法

3、流-热-固耦合计算的基本流程

4 、范例-流体掠过结构表面的对流换热系数计算

感兴趣的学员可以扫描下方二维码参加直播：

六、培训推荐-《流-热-固多物场耦合计算与工程应用难点解析》

本培训基于ANSYS Workbench平台，联合使用Fluent，结构传热模块，结构应力计算模块，耦合场模块，系统耦合器，完成流-热耦合，流-固耦合，热-固耦合，流-热-固耦合计算，以上计算的单向和双向耦合都会详细讲解。

培训采用理论 实例 讨论的在线直播培训方式进行，定于2021年1月9日-1月10日在仿真秀在线培训系统举办，针对软件工程应用的常见问题和难点进行针对性剖析讲解，讲解的实例都有一定工程背景和借鉴意义，通过该培训学习，学员可以快速掌握流热固多场耦合的理论与软件设置方法，能够满足实际的工程工作需求。

5、流-热-固耦合计算

具体培训内容及报名方式

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