知识周讲堂：基于换热器的流-热-固多场耦合计算方法【附直播链接】

导读：换热器（heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。根据换热的工作过程，换热器有很多种类型，例如套管式换热器，浮头式换热器等。

ANSYS Workbench具有完备的换热器传热计算，应力计算功能。可以使用Fluent完成各类换热器的温度场计算，可以联合结构模型与系统耦合器获得换热器的温度场和应力场。

目前，ANSYS版本已经更新到了2023R2，多场耦合计算功能，更加完善，操作使用更加方便，对于多场耦合根据耦合方式可以分为：

（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。

（3）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，常用的单元是SOLID226，该单元可以完成热-结构，热-电-结构的直接耦合计算。

（4）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。

1.流-热耦合计算

流热耦合计算，主要研究流体与结构之间的换热问题。用户可以使用Fluent模块或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 干燥器的截面温度云图

2.流-固耦合计算

流-固耦合主要研究流体流动导致结构变形，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，柔性结构扰流振动等。

图 机翼颤振过程的截面速度与机翼应力云图

3.热-固耦合计算

热固耦合计算，主要研究结构与温度场的相互作用。常见的热固耦合计算，就是结构的热应力，为单向耦合，此外用户也可以考虑双向的摩擦生热计算。摩擦生热双向热固耦合，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 简化制动器摩擦生热计算

4.流-热-固耦合计算

流-热-固耦合计算，主要研究涉及到流动，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+结构单向耦合和完全流-热-固耦合，目前，基于ANSYS Workbench可以实现完全的流-热-固双向耦合计算，低版本的可以通过插入APDL命令实现，高版本的可以直接进行设置。

图 芯片与基板的温度云图

图 芯片与基板的等效应力云图

为了帮助用户了解基于ANSYS Workbench的流-热耦合计算，学习基于换热器的流热固多场耦合计算的基本步骤，设置方法和注意事项，仿真秀邀请平台优秀讲师张老师，于2023年7月19日晚20:00做客仿真秀，为大家带来《基于换热器的流-热-固多场耦合计算方法》免费公开课。

同时，为了帮助大家解决流-热-固多物场耦合计算与工程应用难点问题，仿真秀邀请张老师于2023年7月29-30日举办《流-热-固多物场耦合计算与工程应用难点解析培训》，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，帮助学员快速掌握流热固多场耦合的理论与软件设置方法，满足实际的工程工作需求。

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