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1、word共轭传热计算(2012-12-19 09:53:07)标签：杂谈分类：FLUENT技巧共轭传热：流体传热与固体传热相互耦合。由于流体求解器同时具备流体与固体传热计算的能力，因此可以直接采用流体求解器进展求解，无需使用流固耦合计算。流体求解器能够求解流体对流、传导、辐射传热，对于固体传热计算，只能求解热传导方程。本例演示共轭传热问题在FLUENT中的求解方法。1、问题描述如图1所示的计算区域，既包含流体区域也包含固体区域。在初始状态下，流体域与固体与温度均为293K，然后给固体域底部施加恒定温度434K，计算分析计算域内温度随时间分布规律。边界条件如图中所示。图1 计算域描述2、建立几何
2、模型并划分网格利用DM建立如图1所示2D平面几何。采用全四边形网格划分，如图2所示。为所有边界命名，尤其是流体和固体区域交界面，后面需要在求解器中进展设置。3、进入Fluent求解设置本例为瞬态计算。涉与到热量传递，因此需要激活能量方程。流体介质为理想气体，考虑其在温度影响下密度变化。考虑重力影响，设置重力加速度向量0,-9.81,0，设置操作密度为0。如图3所示。压力-速度耦合方程采用PISO求解方式，对流项计算采用QUICK算法，其他项采用二阶迎风格式。图2 网格模型图3 操作项设置面板设置流体域介质为air，固体域介质为默认的AL。按图1所示边界条件设置计算域边界。创建交界面，如图4所示
3、进展设置。图4 设置交界面4、初始化计算设置初始化温度293K，如图5所示。图5 初始化面板设置自动保存选项与动画录制项。设置时间步长0.1s，时间步数100，内迭代次数20基于Fluent与ANSYS workbench的齿轮箱热固耦合温度场仿真案例2015-12-08 17:45:383966简介： 今天为大家带来齿轮箱瞬态温度场仿真的原创案例。限于篇幅，这个帖子不像之前一样把所有设置一步步贴图，因此只给出关键图，设置全部给出了表格形式。图1和图23是动图，但是好似帖子里动不起来，可以点击我的头像作品展示里有动态图。图1 齿轮箱甩油润滑齿轮减速结构是机械传动中最常见的形式，如如下图。图2齿
4、轮箱结构 由于齿轮之间存在摩擦，因此齿轮系统的温度场必须进展关注，以确保：o 齿轮结构没有过热overheatingo 保证齿轮结构的完整性o 防止滑油过热引发的性能下降粘度降低与事故发生如风机装置有可能油起火 进一步延伸的话，由温升引发的热应力是分析齿轮与齿轮轴，乃至轴承与壳体的热疲劳问题的必要计算条件。这个问题另外开帖与大家探讨。正文： 齿轮温度场涉与到摩擦学、传热学、机械传动理论和有限元分析等多学科领域的知识，是一个比拟复杂的问题。 1969年，BlokH阐述了热网络理论，其本质是考虑系统中各局部生热，在网络中用一个节点表示，每个节点表示每局部的平均温度。通过整体分析得到要求的的各局部的
5、温度值。这种方法的缺陷在于，首先必须建立热阻、功率损失、对流换热系数计算模型，而这些参数不容易获得。那么我们考虑用仿真的手段去求解这个问题。 我们首先来分析齿轮箱的结构，齿轮箱机械结构由壳体、端盖、大小齿轮、轴承、轴以与其他附件构成，我们首先要搞清楚分析的对象。壳体的温度是否是我们关注的要点？在本例中不是，那么我们的分析对象就是壳体中的所有元素，壳体只作为仿真的外边界。轴承和轴在仿真中的意义也不明显，因此我们都予以简化。分析传热模型，齿轮摩擦生热是热源，这些热量通过几种方式传播：从齿缘往齿轮中心传导齿轮和润滑油，润滑油和空气，又称为共轭传热温度不高，辐射量小可忽略 因此，滑油和空气是传热的介质
6、，必须在模型中考虑进去事实上这局部传热达到91%。滑油和空气是两相，因此要使用到fluent的多相流模型；要模拟甩油过程，要使用动网格模型；要模拟传热过程，利用fluent内建的传热模型。这三者是本案例的核心。 这里不得不提到两位外国学者，Guillaume Houzeaux对齿轮泵进展了仿真，并且关注局部网格，这可能是最早对齿轮+流体进展仿真；而F.Lemfeld率先采用两相流模型捕捉了齿轮箱内的流体瞬态变化情况，但他在网格方面的处理比拟简单，对齿轮齿形进展了切除，同时使用一定的壁面粗糙度值模拟齿形的存在，使齿轮能够甩油。说了这么多废话，现在回到主题。图3 流固热耦合仿真流程 本例需要用到的
7、模块包括fluent模块，其中又集成了ansys自带的几何处理与网格划分工具。后面与fluent共享结果的是稳态热分析模块，以与静力结构模块，用来分析热应力对结构的影响，如用来分析热变形，限于篇幅本例不涉与。本例实际流程可以简化如下，我个人喜欢拆分不同的模块，这样方便“故障隔离:图4流体仿真流程一、模型简化与网格划分 由于复杂的三维结构会增加网格划分的难度，会导致网格数目的无谓增加，加大计算量，因此对齿轮减速器三维模型进展简化：壳体的凸台、通孔、垫圈等予以去除；统一壁面厚度；滚动轴承结构在对应位置采取同心圆环来表示，方便施加热流。这里的模型简化工作是用SpaceClaim做的。简化后的模型如下
8、列图：图5简化模型图6仿真模型 这幅图中可以看得更清楚，经过模型简化后，流体局部的外轮廓线是比拟简洁的。注意这局部必须与齿轮箱贴合，这样以后计算热固耦合的时候，可以传递这个面上的温度场数据，如如下图所示。这局部内容本帖中不涉与，本案例在流体外部用fluent的虚拟壁厚技术模拟一个壳体。 一些根底几何参数：图7仿真模型与箱体示意图 齿轮传动的核心是齿轮副，对此不做任何简化以保证计算结果精度。但是渐开线齿轮在现实中在节圆啮合，那么两齿轮中间的网格最小处趋近于0，无法划分网格。目前通用的手段就是拉大中心距，只需将二齿轮中间拉大适当距离，保证有2-3层网格即可。这个改动的影响在可承受X围内。 网格划分
9、采用ANSYS自带Meshing模块，先压制齿轮固体，再将齿轮齿形处进展一定细化，流体固体域分别划分网格。这里要准确理解ANSYS WORKBENCH的part意义，将建模时不同的body放在一个part下与不放在一个part下有什么区别？很多新手都会遇到这个问题，至少我是这么走过来的，但是没看到有任何一本书讲清楚了这个问题。其实，其区别简单来看就是节点是否共享。图8网格节点是否共享的区别 这里我简单画了一个示意图画的比拟难看，从图中可以看出二者的区别。两种方法在fluent中的区别是：前者流体与固体网格节点共享，在fluent中会自动对命名完毕的固体域生成shadow面，比如driven-s
10、hadow。假如不放在一个part下，fluent会自动检测各个part独立几何结构视作一个part之间的接触区域其实此局部工作在meshing中完成，对contact region生成interface。Interface就是交界面，这个面在fluent中可以用来传递域间参数，如压力、热等。网格划分完毕的效果如图：图9整体网格图10 局部网格 以上网格都是四面体单元，方便进展动网格设置。如不要求准确解，我们可以减小网格数目，采取以下这种单元数目较少的网格。可以看出，body之间的网格节点不共享。图11简化网格 一些和网格划分有关的细节，可以按照这个表格去进展具体设置。这里的Advanced
11、sizing功能一定要打开，否如此在边角处生成的网格质量很差。表中用颜色标出了影响较大的设置项。 在fluent中导入网格以后，第一步一定要进展网格检查。 注意几个参数的数值，如果太差，动网格局部可能会报错，一般是出现负体积。二、产热分析 齿轮传动的产热主要来源是齿轮啮合产热。这局部的产热以目前的技术手段难以从仿真直接获得，但是有相应的经验模型，经验模型计算方便，模型中相关系数的获得比拟容易。Anderson和Loewenthal法将齿轮的功率分为三局部，滑动、滚动和风阻损失。 由于闭式传动风阻损失较小，忽略风阻损失。滑动和滚动损失分别由以下公式确定： 齿轮滚动和滑动摩擦损失分配到啮合的两齿轮
12、关系式： 通过公式计算生热过程不再赘述。生热的施加在本例中是一个重点，因为使用了交界面进展热交换，并且兼容动网格，但是fluent不支持在交界面上施加热源，因此我们要计算出生热量，作为体积热源施加到齿轮固体域上。udf见文后附件，热源大小假设是5000w/m3： 编译并且挂载udf以后，作为体积热源赋给固体域：图12 体积热源设置三、fluent仿真模型分析图13 fluent中的模型 Fluent中整体模型如下列图。现在我们来分析具体设置。壳体与边界处理 齿轮减速器的热量来自于齿轮啮合部位以与轴承，一般轴承产热约为齿轮啮合产热的1%，忽略。当齿轮减速器在某一工况下运转时，轴与滑油作为传热的媒
13、介，将热量传导壳体，壳体又通过外部空气对流换热，与安装底座热传导。这里，壳体可以利用Fluent的带厚度壁面技术，虚拟一个壳体热阻，自定义换热系数，将壳体参数化处理。在Boundary Conditions中找到wall thickness的设置项，设置一个合理数值30mm即可。图14虚拟壳体设置 固体域和流体域的换热前文已经说过，通过交界面进展：图15交界面设置 注意这里交界面的两侧，fluent已经自动为其加后缀命名进展区分，一个是源面，一个是目标面。当然你也可以在上一步划分网格的时候就自己命名，这样更有利于辨识。比如我这里一个面叫做driven，一个叫做driven-fluid，代表与小齿轮接触的流体外表。湍流模型 标准k-模型用于强旋流，弯曲壁面流动或弯曲流线流动时，会产生一定的失真。因此采用RNGk-模型Yakhot.Orzag。与标准k-模型相比，RNG通过修正湍动粘度，考虑平均流动中的旋流流动情况，可以更好的处理高应变率以与流线弯曲程度较大的流动。图16流线图 从流线图中容易看出，齿轮箱中的流体流线弯曲是很严重的，湍流模型必须做出调整。 /
