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FLUENT直管瞬态流固耦合分析

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1 前言

很多情况下，我们在做流固耦合热分析时都是稳态计算，即获得计算区域在最终达到平衡时的流场情况。实际上热介质在流入管道后需要一段时间才能达到稳态，如果关心这个过程，则需要做瞬态分析。今天，我们做一个类似的案例。

2 问题描述

假设一根长1m，内径为17mm，壁厚1.5mm的钢管放在原始温度31℃的空气中，某一时刻从一端通入500℃的热空气，速度9m/s，考查管道出口核管壁的温度变化情况。

3 模型与网格

建立如下的二维轴对称计算域，包括了流体域和固体域，热流体进入管道需要加热管壁，也就是说固体壁面有蓄热作用，因此需要把固体计算域也建立更为准确。

4 求解设置

采用SST-ω湍流模型。

开启能量方程。

设置空气的物性参数，重点考虑温度对空气密度的影响，密度模型采用不可压缩理想气体，也可以用其他的温度关联模型。实际情况，空气的比热、导热系数、粘度都需要设置成温度关系模型，这里为了简化计算暂时按常数设定。

设置管壁为钢材材质。

入口设置为速度边界。

出口设置为压力边界。

管道外壁设置为混合换热边界，综合考虑对流换热和辐射换热。

其余的外部壁面设置为绝热。

设置两个监视器，分布监测管道出口中心位置的温度变化曲线和计算域的净热功率，以判断计算收敛情况。

设置一个动画，观察整个计算域的温度变化过程，这里需要关闭温度云图的自动调整显示范围功能才可直观地观察到温度的传递过程。

设置一个动画，观察管道壁面被加热的过程，同样需要关闭曲线Y轴即温度轴的自动调整范围功能，才可以直观地观察到温度的上升过程。

初始化计算域，初始值为计算域初始状态，即流动静止，温度为31℃。

瞬态求解，时间步长0.1s。

5 计算结果

先看一下整个计算域的净热功率变化情况，可以看到约5分钟后逐渐达到稳态。

再看一下管道出口中心的温度变化情况，可以看到最终约达到250℃，同时可以看出在最开始有个温度突变，这是因为管道内的静止空气瞬间被9m/s的热空气置换充满。

再看一下管道的温度动画，清楚显示了温度的传递过程。

最后看一下管壁的温度变化情况，清楚地看到温升过程。

来源：仿真与工程

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首次发布时间：2023-07-05