算例丨基于Workbench&Fluent的管道流-热-固耦合计算及热应力分析流程与详细步骤

如图1 所示的管道，水平管道长度为150mm，直径为24mm，竖直管道直径为16mm，高度为50mm，分别距离左端面45mm 和95mm，整体管道壁厚为2mm。20℃的低温水从左端的入口流入，流速为1m/s，50℃的液态水和80℃的液态水分别从竖直的管道流入，流速均为0.5m/s，冷热水流混合后从右端流出，周围的环境温度为20℃。

图1 管道结构示意图

1. 几何模型建立

2. 流体域网格划分

3. Fluent 计算

4. 温度加载

5. 稳态热分析

6. 温度加载

7. 热应力分析

在workbench 的工具箱中拖拽Fluid Flow（Fluent）、Steady-State Thermal 和Static Structural模块进入工作界面中，数据传送关系如图2 所示。

图2 数据传送关系

图3 模型分别在SolidWorks 中和在DesignModeler 中显示

选择Tools 工具栏下的Fill 命令，选定管道内壁的三个面，单击Details View 面板中的Apply按钮，之后单击Generate 按钮，生成相应的流体域，并将流体域命名为Fluid。在流体域Fluid中分别定义冷流入口端面，热流入口端面1，热流入口端面为2 为coldinlet，hotinletone 和hotinlettwo，定义出口端面为outlet。

图3 fill 命令选取内部面

图4 入口出口命名

选定所有外部壁面定义为wall。最后定义耦合面，定义流固交界面流体一侧的三个面为interfacef2s，定义流固交界面固体一侧的三个面为interfaces2f，面的选取如图5 所示。

图5 流体域和固体域边界图示

双击A3 打开Meshing 模块，网格划分主要有三部分，选定固体域定义网格方法为Automatic Method，选定流体域定义网格方法同样为Automatic Method，最后，在流体域中选择与固体域相交的三个面定义膨胀层Inflation。为了使网格更合适质量更好，在detail of‘mesh’面板中定义相应参数，其中定义Relevance 为100，Relevance Center 为fine，Smoothing为High，Span Angle Center 为Fine，其余选项均保持默认即可。单击Generate Mesh 生成网格，得到节点数为64628，网格数量为190857。观察网格质量，网格质量总体均在0.5 以上，基本可以认为网格质量良好。

图5 划分的网格

图6 网格划分设置图

图7 网格质量

双击A4，打开Fluent，保持默认设置，按照流程树逐项进行设置，首先在general 面板中，单击Scale，设置视图中的单位为mm，紧接着单击check，检查网格，确定网格没有负体积，至此，网格基本可以认为没有问题，按照视图中方为设置重力方向为Y 轴负方向。其他选项保持默认。单击models 面板，打开能量方程，并选用标准的k-episilon(2eqn)Viscous模型。单击materials 面板，加载液体材料为water-liquid，加载固体材料为Steel。单击Cell ZoneConditions 面板，给流体域施加water-liquid 材料，给固体域施加Steel 材料。单击BoundaryConditions 面板，添加边界条件，coldinlet 为冷流入口，水流速度为1m/s，水流温度为20℃，湍流强度5%，水力直径20mm；hotinletone 为热流入口1，水流速度为0.5m/s，水流温度为50℃，湍流强度为5%，水力直径为16mm；hotinlettwo 为热流入口2，水流速度为0.5m/s，水流温度为80℃，湍流强度为5%，水力直径为16mm；wall 的温度为环境温度20℃；outlet自由处流，设置出口压力为0Pa，湍流强度为10%，水力直径为20mm。单击Mesh Interface面板，观察自动生成的耦合面，查看是否有问题。

考虑到本次案例模型简单，边界条件也不复杂，所以Solution Methods，Solution Controls采用默认设置即可。单击Monitor 面板双击Residuals 设置计算的残差为1e-5。单击SolutionInitialization 选择Standard Initialization，Compute from all-zones，单击Initialize 完成初始化。单击Run Calculation 面板设置迭代步数为500，单击Calculate 进行计算。

图8 单位设置

图9 general 面板设置

图10 模型面板设置

图11 材料面板设置

图12 冷流入口流速和强度设置

图13 冷流入口温度设置

图12和图13仅显示了冷流入口的设置，其余的入口和出口以及避免的设置与图12和图13的设置方法相同，不在作图展示。

图14 自动生成的接触面

图15 初始化设置

图16 计算设置

图17 残差设置

图18 迭代曲线

单击Graphics 面板，选中Contours 后单击Set Up，为便于观察，单击New Surface 下的Plane 新建一个平面，根据本次案例的情况，需选用YZ 平面来进行观察，平面设置如图19所示。平面设置完成后，观察所选用平面上的压力速度和温度云图。

图19 中间平面设置图

图20 速度云图

图21 压力云图

图22 温度云图

完成流体计算之后，单击B4 进入稳态热分析模块，将流体区域抑制，并将固体区域生成网格，生成方法与之前类似。之后右键单击Imported Load—Insert—Temperature 将流体计算的温度场导入，在固体域温度的接受面为固体的内表面，之前已经进行定义，直接选用即可，Cfd surface 选用计算的流固界面温度。右键单击Imported Load，单击右键菜单的ImportedLoad 导入温度。

右键单击Steady-State Thermal 插入边界条件，设置外壁面的对流换热系数为10W/m2·℃，环境温度为20℃。设置三个入口的端面温度与入口流体温度一致。在solution 中插入温度和总的热流量。单击solve 进行求解。

图23 流场温度导入

图24 稳态热力学计算结果

双击C5 进入静态结构计算模块右键单击Imported Load 打开右键菜单后单击ImportedLoad 导入固体域的温度。右键单击Static Structural—Insert—Fixed Support 给三个入口端面施加固定约束。完成边界条件的加载。右键单击Solution 插入总变形和应力。单击solve 进行求解。

图25 结构静力学计算中导入温度

图26 温度对管道造成的应力