联合使用Fluent 和Mechanical进行流固耦合热应力计算案例上篇

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了一个利用Fluent+Mechanical计算固体结构物在流场作用下的热应力的案例。案例中，金属管道内部及外部存在温度不同的流体，管道内部温度在Mechanical中求解，其内部壁面及外部壁面的温度及压力则从CFX中获取。计算模型包括管道、流体域和长方体，通过DM模块进行几何处理，利用布尔运算保留固体几何。在Mechanical中，对管道进行固体计算设置，包括几何处理、网格划分、指定计算参数、指定约束、指定流固耦合面和设置环境温度。最后，关闭Mechanical，返回Workbench。

本案例利用Fluent+Mechanical计算固体结构物在流场作用下的热应力。1 问题描述

计算模型如图所示。

金属管道内部及外部存在温度不同的流体，管道内部温度在Mechanical中求解，其内部壁面及外部壁面的温度及压力则从CFX中获取。

其中Duct Inlet入口速度为0.5 m/s

温度为400+100*sin(2*pi*t/25)

管道入口速度为0.5 m/s

温度为400-100*sin(2*pi*t/25)

本案例采用如下图所示的计算流程。

2  几何处理

管道几何采用外部导入，流体域几何在DM中抽取。

• 如下图所示，通过A2单元格导入几何模型geom.agdb

• 右键选择A2单元格，选择菜单项Edit Geometry in DesignModeler…进入DM模块

导入的几何模型如下图所示。

• 在DM模块中在管道外部创建一个尺寸为2*2*10 m的长方体

• 利用菜单Create → Boolean对几何体进行布尔减运算，最终得到几何体如图所示。

注：布尔运算时保留固体几何。

3 固体计算设置

• 鼠标双击B5单元格Setup进入Mechanical设置

3.1 几何处理

• 选择Geometry节点下子节点Fluid_Pipe及Fluid_Duct，点击鼠标右键，选择弹出菜单项Suppress Body删除流体计算区域几何

• 选中节点Solid_Pipe，属性窗口中指定其材料为Structural Steel，如下图所示

3.2 网格划分

• 右键选择模型树节点Solid_Pipe，点击弹出菜单项Insert → Commands插入APDL命令

• 输入命令et,matid,227,11

注：

• 默认情况下Mechanical将实体模型指定为Solid单元，求解结果中并不包含温度变量。本案例要计算温度，则需要利用到结构-热耦合单元。

• 该命令将网格单元切换为227号单元，并设置KEYOPT为11。227号单元为结构-热耦合单元，该单元为四面体。若要划分六面体网格，则使用226号单元。

• 右键选择模型树节点Mesh，点击弹出菜单项Insert → Sizing插入网格尺寸

• 如下图所示，在属性窗口中设置体网格尺寸为100 mm

• 右键选择节点Mesh，点击弹出菜单项Insert → Method插入网格生成方法

• 属性窗口中设置Method为Tetrahedrons，如下图所示

• 选择管道的内外壁面，点击鼠标右键，选择弹出菜单项Insert → Sizing插入面网格尺寸

• 如下图所示，指定Element Size为80 mm，指定Behavior为Hard

• 右键选择模型树节点Mesh，点击弹出菜单项Generate Mesh生成网格

形成网格如下图所示。

3.3 指定计算参数

• 点击模型树节点Analysis Settings，属性窗口中如图所示设置：Number of Steps = 1，Step End Time =50 s，Auto Time Stepping = Off，Define By = Substeps，Number of Substeps = 1，Time Integration = On

注：最终的计算时间以及时间步长，由System Coupling定义。

3.4 指定约束

• 选择管道两个端面，点击鼠标右键，选择弹出菜单项Insert → Displacement插入位移约束

• 如下图所示，指定三个方向的位移均为0 mm

注：这里采用位移约束而不是固定约束。若刚才用Fixed Support约束，则这两个面上不仅位移被约束为0，同时温度也被约束为0 C。

3.5 指定流固耦合面

• 选择管道及外壁面，图形窗口中点击鼠标右键，选择弹出菜单项Insert → Fluid Solid Interface插入流固耦合面

• 选择管道及内壁面，图形窗口中点击鼠标右键，选择弹出菜单项Insert → Fluid Solid Interface插入流固耦合面

3.6 设置环境温度

• 选择模型树节点Transient，属性窗口中设置Environment Temperature为26.85 C

注：这里设置温度为26.85 C，表示在该温度下热应力为0。

• 右键选择模型树节点Transient，点击弹出菜单项Insert → Commands插入APDL命令mfou,5

注：该命令指定每5个时间步保存一次结果文件。本案例中未涉及到其他的热边界，若需要指定热边界，则可以在Transient节点中通过插入APDL命令来实现。

• 关闭Mechanical，返回Workbench

作者：流沙CAE，仿真秀专栏作者

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