传热学中几种常用软件及数值解法地介绍

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 International 、比利时 Polyflow 和 Fluent Dynamic International (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

2、度和求解精度。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( Finite V olume Method )程序的结构FLUENT 程序软件包由以下几个部分组成：(1) 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) Filters(Translators) 转换

3、其他程序生成的网格，用于FLUENT 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

4、解的步骤如下：(1) 确定几何形状，生成计算网格 (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。(3) 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

5、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 View fact

6、or 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 FLUENT 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 PRO/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/E

7、ngineer, NASTRAN, Alogor, I DEAS, AutoCAD 等， 是现 代产品设计中的高级 CAE 工具之一。采用的数值解法有限元法( finite element method )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

8、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、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

9、、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

10、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。 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

11、、 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。 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

12、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

13、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

14、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 Multiphysics ，使工程师和科学家们可以通

15、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 Multiphysics 采用的数值解法有限元法（ finite element method ）功能简介COMSOL Multiphysics（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

16、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 Multiphysics(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 Multiphysics(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

17、术，透过强大且直觉式的图像使用者界面 ( Graphical 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 Multiphysics(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。 COMSOL Multiphysics(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。 COMSOL Multiphysics(FEMLAB) 的特点在于 : 可以针对超大型 的问题进行高效的求解并快速产生精确的结果。 通过简便的图形用户界面， 用户

18、可以选择不 同的方式来描述他们的问题。 FEMLAB 软件一个特殊的功能在于它的偏微分方程建模求解， 这也正是它为何可以连接并求解任意场耦合方程的原因。 所有上述特征和许多其它的特征使 得 FEMLAB 3.0 对于科学研究，产品开发和教学成为一个强大的建模求解环境。FEMLAB 的应用领域 电机工程 Electrical engineering 化学工程 Chemical engineering 电磁场分析 Electromagnetics 声学分析 Acoustics 机械工程 Mechanical engineering 土木工程 Civil engineering 地球物理学 Geop

19、hysics 过程控制 Process control 应用数学 Applied mathematic 燃料电池 Fuel Cell 光电 electronic optic 微机电 MEMS 两相流 Two Phase Flow 热传 Heat Transfer 波动传导 Wave propagation、各种数值解法的详细介绍：1、有限差分法( finite difference method ) 定义：力学中将求解微分方程问题转化为求解差分方程的一种数值解法。 有限差分法采用的是微分方程和积分微分方程数值解的方法。 基本思想是把连续的定解区域 用有限个离散点构成的网格来代替， 这些离散点称

20、作网格的节点；把连续定解区域上的连 续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数来近似； 把原方程和定解条件中的微商用差商 来近似， 积分用积分和来近似，于是原微分方程和定解条件就近似地代之以代数方程组， 即有限差分方程组 ， 解此方程组就可以得到原问题在离散点上的近似解。 然后再利用插值 方法便可以从离散解得到定解问题在整个区域上的近似解。2、有限元法（ finite element method ） 定义：一种将连续体离散化为若干个有限大小的单元体的集合， 以求解连续体力学问题的数 值方法。有限元法是将连续的求解域离散为一组单元的组合体， 用在每个单元内假设的近似函数来分 片的表示求解域上待求

21、的未知场函数， 近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的 数值插值函数来表达。 从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。 有限 元法的运用步骤： （ 1）剖分。将待解区域进行分割， 离散成有限个元素的集合 元素（单元） 的形状原则上是任意的 二维问题一般采用三角形单元或矩形单元， 三维空间可采用四面体 或多面体等每个单元的顶点称为节点（或结点）。（ 2）单元分析。进行分片插值，即将分割单元中任意点的未知函数用该分割单元中形状函数及离散网格点上的函数值展开， 即建立 一个线性插值函数。 （3）求解近似变分方程。 用有限个单元将连续体离散化，通过对有限个 单元作分片插值求解各

22、种力学、 物理问题的一种数值方法。 有限元法把连续体离散成有限个 单元：杆系结构的单元是每一个杆件；连续体的单元是各种形状（如三角形、四边形、六面 体等） 的单元体。 每个单元的场函数是只包含有限个待定节点参量的简单场函数，这些单元场函数的集合就能近似代表整个连续体的场函数。 根据能量方程或加权残量方程可建立有限 个待定参量的代数方程组， 求解此离散方程组就得到有限元法的数值解。 有限元法已被用于 求解线性和非线性问题，并建立了各种有限元模型，如协调、不协调、混合、杂交、拟协调 元等。 有限元法十分有效、通用性强、应用广泛，已有许多大型或专用程序系统供工程设计 使用。结合计算机辅助设计技术，有

23、限元法也被用于计算机辅助制造中。3、边界元法（ boundary element method ） 定义：将力学中的微分方程的定解问题化为边界积分方程的定解问题， 再通过边界的离散化 与待定函数的分片插值求解的数值方法。边界元法（ boundary element method ）是一种继有限元法之后发展起来的一种新数值方法， 与有限元法在连续体域内划分单元的基本思想不同， 边界元法是只在定义域的边界上划分单 元,用满足控制方程的函数去逼近边界条件。所以边界元法与有限元相比，具有单元个数少 数据准备简单等优点 .但用边界元法解非线性问题时，遇到同非线性项相对应的区域积分， 这种积分在奇异点附近

24、有强烈的奇异性， 使求解遇到困难。 边界元法是在有限元法之后发展 起来的一种较精确有效的工程数值分析方法。又称边界积分方程-边界元法。它以定义在边界上的边界积分方程为控制方程， 通过对边界分元插值离散， 化为代数方程组求解。 它与基 于偏微分方程的区域解法相比， 由于降低了问题的维数， 而显著降低了自由度数， 边界的离 散也比区域的离散方便得多， 可用较简单的单元准确地模拟边界形状， 最终得到阶数较低的 线性代数方程组。又由于它利用微分算子的解析的基本解作为边界积分方程的核函数 ，而 具有解析与数值相结合的特点， 通常具有较高的精度。 特别是对于边界变量变化梯度较大的 问题 ，如应力集中问题

25、，或边界变量出现奇异性的裂纹问题， 边界元法被公认为比有限元 法更加精确高效。 由于边界元法所利用的微分算子基本解能自动满足无限远处的条件， 因而 边界元法特别便于处理无限域以及半无限域问题。 边界元法的主要缺点是它的应用范围以存 在相应微分算子的基本解为前提， 对于非均匀介质等问题难以应用， 故其适用范围远不如有 限元法广泛， 而且通常由它建立的求解代数方程组的系数阵是非对称满阵， 对解题规模产生 较大限制。 对一般的非线性问题， 由于在方程中会出现域内积分项， 从而部分抵消了边界元 法只要离散边界的优点。4、有限体积法（ Finite Volume Method ）定义：有限体积法（FVM

26、 ）又称为控制体积法。有限有限体积法将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个 控制体积；将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程。其中的 未知数是网格点上的因变量的数值。为了求出控制体积的积分，必须假定值在网格点 之间的变化规律，即假设值的分段的分布的分布剖面。从积分区域的选取方法看来， 有限体积法属于加权剩余法中的子区域法；从未知解的近似方法看来，有限体积法属 于采用局部近似的离散方法。简言之，子区域法属于有限体积发的基本方法。体积法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解释。离散方程的物理意义，就是 因变量在有限大小的控制体积中的守恒原理，如同微分方

27、程表示因变量在无限小的控制体积中的守恒原理一样。有限体积法得出的离散方程，要求因变量的积分守恒对任 意一组控制体积都得到满足，对整个计算区域，自然也得到满足。这是有限体积法吸 引人的优点。有一些离散方法，例如有限差分法，仅当网格极其细密时，离散方程才 满足积分守恒；而有限体积法即使在粗网格情况下，也显示出准确的积分守恒；就离 散方法而言，有限体积法可视作有限单元法和有限差分法的中间物。有限单元法必须 假定值在网格点之间的变化规律（既插值函数），并将其作为近似解。有限差分法只考虑网格点上的数值而不考虑值在网格点之间如何变化。有限体积法只寻求的结点 值，这与有限差分法相类似；但有限体积法在寻求控制

28、体积的积分时，必须假定值在 网格点之间的分布，这又与有限单元法相类似。在有限体积法中，插值函数只用于计 算控制体积的积分，得出离散方程之后，便可忘掉插值函数；如果需要的话，可以对 微分方程中不同的项采取不同的插值函数。5、分子动力学法（MD）分子动力学法 （MD法（Molecular Dynamics method ）是用计算机模拟的一种，是调查 物质诸性质时候使用的手法之一。根据在计算机中每时每刻的追踪全部的粒子的运动的规律，导出物质全体的性质这就是分子动力学法。有限元法，有限差分法和有限体积法的区别：（1）有限差分方法 （FDM）是计算机数值模拟最早采用的方法，至今仍被广泛运用。 该方法将

29、 求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域。有限差分 法以Taylor级数展开等方法，把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代 替进行离散，从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组。该方法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法，数学概念直观，表达简单，是发展较早且比较成熟的数值方法。对于有限差分格式，从格式的精度来划分，有一阶格式、二阶格式和高阶格式。从差分的空间形式来考虑，可分为中心格式和逆风格式。考虑时间因子的影响，差分格式还可以分为显格式、隐格式、显隐交替格式等。目前常见的差分格式，主要是上述几种形式的组合，不同的组合构成不同的差分格式。差分方法主要适用于

30、有结构网格，网格的步长一般根据实际地形的情况和柯朗稳定条件来决定。构造差分的方法有多种形式，目前主要采用的是泰勒级数展开方法。 其基本的差分表达式主要有三种形式：一阶向前差分、一阶向后差分、一阶中心差分和二阶中心差分等，其中前两种格式为一阶计算精度，后两种格式为二阶计算精度。通过对时间和空间这几种不同差分格式的组合，可以组合成不同的差分计算格式。（2）有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分 为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值 点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原

31、理或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。有限元方法最早应用于结构力 学，后来随着计算机的发展慢慢用于流体力学的数值模拟。在有限元方法中，把计算 域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元，在每个单元内选择基函数，用单元 基函数的线形组合来逼近单元中的真解，整个计算域上总体的基函数可以看为由每个单元基函数组成的，则整个计算域内的解可以看作是由所有单元上的近似解构成。在 河道数值模拟中，常见的有限元计算方法是由变分法和加权余量法发展而来的里兹法 和伽辽金法、最小二乘法等。根据所采用的权函数和插值函数的不同，有限元方法也 分为多种计算格式。从权函数

32、的选择来说，有配置法、矩量法、最小二乘法和伽辽金 法，从计算单元网格的形状来划分，有三角形网格、四边形网格和多边形网格，从插值函数的精度来划分，又分为线性插值函数和高次插值函数等。不同的组合同样构成不同的有限元计算格式。对于权函数， 伽辽金（Galerkin）法是将权函数取为逼近函数中的基函数；最小二乘法是令权函数等于余量本身，而内积的极小值则为对代求系数的平方误差最小；在配置法中，先在计算域内选取 N个配置点 。令近似解在选定的N个配置点上严格满足微分方程，即在配置点上令方程余量为0。插值函数一般由不同次幕的多项式组成，但也有采用三角函数或指数函数组成的乘积表示，但最 常用的多项式插值函数。

33、有限元插值函数分为两大类，一类只要求插值多项式本身在 插值点取已知值，称为拉格朗日（Lagrange）多项式插值；另一种不仅要求插值多项式本身，还要求它的导数值在插值点取已知值，称为哈密特（Hermite）多项式插值。单元坐标有笛卡尔直角坐标系和无因次自然坐标，有对称和不对称等。常采用的无因次坐 标是一种局部坐标系，它的定义取决于单元的几何形状，一维看作长度比，二维看作 面积比，三维看作体积比。在二维有限元中，三角形单元应用的最早，近来四边形等 参元的应用也越来越广。对于二维三角形和四边形电源单元，常采用的插值函数为有Lagrange插值直角坐标系中的线性插值函数及二阶或更高阶插值函数、面积坐

34、标系中的线性插值函数、二阶或更高阶插值函数等。对于有限元方法，其基本思路和解题步骤可归纳为： 建立积分方程，根据变分原理或方程余量与权函数正交化原理，建立与微分方程初 边值问题等价的积分表达式，这是有限元法的出发点。 区域单元剖分，根据求解区域的形状及实际问题的物理特点，将区域剖分为若干相 互连接、不重叠的单元。区域单元划分是采用有限元方法的前期准备工作，这部分工作量比较大，除了给计算单元和节点进行编号和确定相互之间的关系之外，还要表示 节点的位置坐标，同时还需要列出自然边界和本质边界的节点序号和相应的边界值。 确定单元基函数，根据单元中节点数目及对近似解精度的要求，选择满足一定插值 条 件的插值函数作为单元基函数。有限元方法中的基函数是在单