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1、传热学中几种常用软件及数值解法的介绍一、常用软件介绍：1、FLUENT软件简介FLUENT 软件是美国 FLUENT 公司开发的通用 CFD 流场计算分析软件，囊括了 Fluent Dynamic Int erna tional、比利时 Polyflow 和 Fluent Dynamic Int erna ti onal (FDI)的全 部技术力量(前者是公认的粘弹性和聚合物流动模拟方面占领先地位的公司，而后者是基于 有限元方法CFD软件方面领先的公司)。FLUENT 是用于计算流体流动和传热问题的程序。由于采用了多种求解方法和多重网格 加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解
2、精度。灵活的非结构化网格和基 于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转捩与湍流、传热与相变、化学反 应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应 用。采用的数值解法有限体积法(Fini te Volume Met hod)程序的结构FLUENT 程序软件包由以下几个部分组成：GAMBIT用于建立几何结构和网格的生成。(2) FLUENT用于进行流动模拟计算的求解器。(3) prePDF用于模拟PDF燃烧过程。(4) TGrid用于从现有的边界网格生成体网格。(5) Fil ters(Translators)转换其他程序生成的网格，用于FLUE
3、NT计算。FLUENT 程序可以求解的问题(1) 可压缩与不可压缩流动问题。(2) 稳态和瞬态流动问题。(3) 无黏流，层流及湍流问题。(4) 牛顿流体及非牛顿流体。(5) 对流换热问题(包括自然对流和混合对流)。(6) 导热与对流换热耦合问题。(7) 辐射换热。(8) 惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟。(9) 用 Lagrangian 轨道模型模拟稀疏相(颗粒，水滴，气泡等)。(10) 一维风扇、热交换器性能计算。(11) 两相流问题。(12) 复杂表面形状下的自由面流动问题。用 FLUENT 程序求解问题的步骤利用FLUENT软件进行求解的步骤如下：(1) 确定几何形状，生成计算网
4、格(用GAMBIT，也可以读入其他指定程序生成的网格)。(2) 输入并检查网格。选择求解器(2D或3D等)。(4) 选择求解的方程：层流或湍流(或无粘流)，化学组分或化学反应，传热模型等。确定其 他需要的模型，如：风扇、热交换器、多孔介质等模型。(5) 确定流体的材料物性。(6) 确定边界类型及其边界条件。(7) 条件计算控制参数。(8) 流场初始化。(9) 求解计算。(10) 保存结果，进行后处理等。FLUENT ICEPACK 软件简介：电子设备热控分析 面向工程师开发的专业电子产品热分析软件。 Icepak 软件易学易用，不需要设计人员有专 业的 CFD 知识背景。软件内置有大量的电子产
5、品模型、各种风扇库及材料库等，用户只需简 单调用即可完成模型设计；从而大大缩短设计周期，节省成本。Icepak 软件在通讯、计算机、通用电器、汽车及航空电子设备等领域都有着广泛的应用。Icepak 软件的显著特点是面向对象的建模功能；丰富的物理模型，可以模拟自然对流/强迫 对流/混合对流、热传导、热辐射、层流/湍流、稳态/非稳态等流动现象。 Icepak 还提供了 其它分析软件所不具备的能力，如：精确地模拟复杂形状的部件、元器件间的接触阻力、各 向异性热传导率、非线性风扇曲线以及在辐射传热中的Viewfactor的自动计算；完全工程 化的边界条件和问题设置；面向对象的默认网格参数设置；内置的F
6、LUENT求解器，可以监 控求解过程和中断求解；支持高效率并行计算；方便的图形化后处理功能；提供了扩展的CAD及EDA接口，包括直接的PR0/E接口以及IGES、STEP、DXF、IDF等接口，易于与其它 机械工程CAD工具和EDA软件集成。2、ANSYS软件简介ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由 世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。它能与多数CAD软件接口，实 现数据的共享和交换，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD 等，是现 代产品设计中的高级CAE工具之一。采用
7、的数值解法有限元法(finite elemen t met hod)软件功能简介 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供 了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块 包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电 磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作 用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度 显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部） 等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、
8、曲线形式显示或输出。前处理模块（1）实体建模ANSYS 程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。 自顶向下进行实体建模时， 用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及 关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、 锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集， 从而“雕塑出” 一个实体模型ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、 分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可 观的建模工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋
9、转、移动、延伸和拷贝实体模型图元 的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自 动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。自底向上进 行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是 相关的线、面、体。（2）网格划分ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分 方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸 成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的 单元属性和网格控制，生成映像网格o
10、ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可 对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带 来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地 生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估 计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。求解模块（1）结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不 显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析， 如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及
11、接触分析。（2）结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分 析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响o ANSYS可进行的结构动力学分析 类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。（3）结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬 态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。（4）动力学分析ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能 分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变
12、形。（5）热分析程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和 瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及 模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。（6）电磁场分析 主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、 力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加 速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。（7）流体动力学分析ANSYS 流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个 节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利
13、用后处理功能产生压力、流率和温度分布的 图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括 对流换热效应。（8）声场分析 程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的 动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预 测水对振动船体的阻尼效应。（9）压电分析用于分析二维或三维结构对AC （交流）、DC （直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的 响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构 动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态
14、响应分 析后处理模块（1）通用后处理模块。这个模块对前面的分析结果能以图形形式显示和输出。（2）时间历程响应后处理模块。这个模块用于检查在一个时间段或子步历程中的结果，如 节点位移、应力或支反力。3、COMSOL软件简介COMSOL 公司是全球多物理场建模与仿真解决方案的提倡者和领导者，其旗舰产品 COMSOL Muitiphysics,使工程师和科学家们可以通过模拟，赋予设计理念以生命。它有无与伦比的 能力，使所有的物理现象可以在计算机上完美重现。 COMSOL 的用户利用它提高了手机的接 收性能,利用它改进医疗设备的性能并提供更准确的诊断,利用它使汽车和飞机变得更加安 全和节能,利用它寻找
15、新能源,利用它探索宇宙,甚至利用它去培养下一代的科学家。COMSOL Muitiphysics 采用的数值解法有限元法 finite elemen t met hod）功能简介COMSOL Mui tiphysics（FEMLAB）是一个专业有限元数值分析软件包，是基于偏微分方程的科 学和工程问题进行建模和仿真计算的交互开发环境系统,而偏微分方程是科学问题的基础和 根本。 FEMLAB 对于所有科学和工程领域内物理过程的建模和仿真提供了一个崭新的技术！ 通过COMSOL Muitiphysics(FEMLAB)的多物理场功能，你可以通过选择不同的模块同时模拟 任意物理场组合的耦合分析；通过使用
16、相应模块直接定义物理参数创建模型；使用基于方 程的模型可以自由定义用户自己的方程。COMSOL Muitiphysics(FEMLAB)极具弹性及高度发 展能力，能够独立处理并解决在工程及科学领域中，所包含的繁杂偏微分方程PDEs)耦合 多变量问题之CAE软体。更重要的是，处理耦合问题的数目是没有限制的。FEMLAB提供新 的技术，透过强大且直觉式的图像使用者界面 ( Graphicai User Interface ; GUI，) 使你 容易地在所有工程及科学 的 规范下， 建立所需的 设备及处理程序模型。 COMSOL Mul tiphysics(FEMLAB)的主要特征是容易建立模型且可客户化，能执行1D、2D或是3D模 型。
