基于ANSYS Workbench流-热-固多场耦合算法演绎

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作者：张老师

仿真秀优秀讲师

目前，随着对产品的要求越来越多，单场载荷作用的响应，已经不能满足工程需求，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。本文主要探讨基于ANSYS Workbench平台的流-热-固多场耦合的算法。

完全耦合

完全耦合算法，也称为直接耦合算法。主要使用耦合场单元求解热-固的耦合计算，该算法的基本思想是在一个单元节点上拥有三个方向节点变形一个温度自由度，共四个自由度，即{UX UY UZ T}，该方法主要解决热-固强耦合的问题，例如摩擦生热计算，塑性变形生热，粘性生热计算，这些问题中结构的变形与自身的温度场之间是相互的影响的。如图给出了SOLID226单元的示意图，该单元的基本形状为六面体，当然还有三种退化单元形状，建议在计算中避免使用退化形状，因为退化单元会降低求解精度。

图1 SOLID226单元示意图

图2 基于耦合场单元的求解模块

如图2所示，给出了热-固直接耦合的求解模块，图2中两个模块分别可以进行稳态和瞬态的热-固直接耦合计算。

迭代耦合

迭代耦合，主要通过两个不同的求解器完成不同场的变量求解，然后通过一个数据映射模块，再考虑场之间耦合的一种方法。该方法适用于流-固耦合计算，流-热耦合计算。该种方法，流体的求解主要通过Fluent完成，结构的求解可以使用结构模块或结构热模块，由用户的需求确定。场之间的数据交换模块称为系统耦合器，如图3所示。