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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

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一、案例简介


   

 

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


 

   

二、设计思路


   

 
  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


 

   

三、模型建立


   

 

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

在SolidWorks 中建立相应模型, 并转化成ansys 适用的x_t 格式。双击A2 打开DesignModeler,导入相应模型。

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


 

   

四、网格划分


   

 

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


 

   

五、fluent 计算


   

 

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


 

   

六、稳态热分析


   

 

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


 

   

七、变形及热应力分析


   

 

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

图27 温度导致管道的变形


来源:CAE仿真学社
MeshingFluentWorkbench静力学湍流建筑SolidWorks材料
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首次发布时间:2023-10-19
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