CFX进行共轭传热分析实例

    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。

    轭，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。

    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。

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。

   

   

 

   

   

 

   

   

 

    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。