Solidworks simulation仿真教程-课件 第8、9章 传热学分析、流体力学分析

Solidworkssimulation仿真教程本章主要介绍传热学的基本理论、传热学中的基本概念、传热分析的属性设置。分别建立稳态散热案例、瞬态散热案例和辐射分析案例。有限元的传热分析是指使用有限元方法（FEM）来模拟和计算物体内部以及物体与外界环境之间的热量传递过程。它通过数值计算的方式，求解控制热传递的偏微分方程，从而得到我们关心的温度、热流等物理量的详细分布第8章 传热学分析8.1传热学的基础知识Solidworkssimulation仿真教程第7章 优化分析热传导热对流热辐射传热学分析的应用领域1.热传导热量通过媒介在两个相邻物体之间传递，或者穿过单个物体，并且传递过程不经过任何形式的流体，则称该热量传递为热传导。（1）基本概念傅里叶热传导定律的定义为：在热传导过程中，单位时间内通过给定截面的热量（热流量）与垂直于该截面方向上的温度变化率（温度梯度）及截面面积成正比，且热量传递方向与温度升高方向相反。（2）热传导基本定律1.热传导一个圆柱，其长度为Δx，两个端面的面积为A；侧面绝热，即热量不会通过侧面散失；将两个端面分别置于温度为T1、T2的环境中，由于温度不同导致x方向上发生热传导，测量热流量值q。分析热流量q，端面面积A，两端温度T1、T2，以及圆柱长度Δx之间的关系。（2）热传导基本定律1.热传导（2）热传导基本定律当材料更换成另一种物质时（例如由金属改成塑料），可以发现上述关系仍然成立，但相同的A、Δx、T1、T2情况下，通过的热流量q变得更小。由此可以引入一个参数来表示不同材料的导热性能，即导热系数k，单位为W/（m·℃）求上式在Δx→0时的极限，可得到傅里叶热传导定律的表达式：2.热对流（1）基本概念流体中，温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程叫热对流。流体温度为tf，流速为vf，固体壁面的面积为A，温度为tw，由于固体壁面和流体之间温度不同（假设固体壁面温度tw高于流体温度tf，温差Δt=tw–tf），因此会发生对流换热，流体和固体之间对流换热的热流量为q。（2）牛顿冷却公式2.热对流则上述物理量之间的关系，可根据牛顿冷却公式写成如下形式：式中，对流换热的面积A和温差Δt是比较容易确定的；h是对流换热系数，W/(m2·℃)。（2）牛顿冷却公式3.热辐射热辐射是处于一定温度下的物质所发射的能量。虽然固体表面的辐射较为常见，但可以确定的是液体和气体也会发射能量。不论物质处于何种形态，只要温度高于0K，都会向周围发射能量，这种发射是组成物质的原子或分子中电子排列位置的改变所造成的。热辐射的概念。物体发生辐射的原因有多种，但因为热的原因，物体的内能转化成了电磁波的能量，进而进行的辐射被称为热辐射。例如寒冷的冬天，到太阳下晒太阳感到暖和，是因为接收到了高温的太阳以热辐射的形式所散发的热量，而且任何有温度的物体都在辐射热量，对于同一个物体，温度越高的物体，向外辐射的能力也越大；温度相同的条件下，不同的物体，其辐射能力也不同，黑体的辐射能力最强。（1）基本概念3.热辐射黑体辐射热量与其表面温度的关系式可用斯蒂芬-玻尔兹曼定律来表示，其表达式为：（2）热辐射定律式中：1） T为黑体表面温度，单位为K。2） A为黑体的辐射表面积，单位为m2。3） σb为黑体辐射常数，其值为5.67×10-8W/(m2·K4)。3.热辐射黑体辐射热量与其表面温度的关系式可用斯蒂芬-玻尔兹曼定律来表示，其表达式为：（2）热辐射定律式中：1） T为黑体表面温度，单位为K。2） A为黑体的辐射表面积，单位为m2。3） σb为黑体辐射常数，其值为5.67×10-8W/(m2·K4)。4.传热学分析的应用领域（1）能源动力与电力工业（2）航空航天与交通运输（3）汽车工业（4）电子电气与信息科技（5）建筑与环境工程（6）材料与制造加工8.2传热分析属性设置Solidworkssimulation仿真教程第7章 优化分析8.2传热分析属性设置传热分析属性设置的根本目的是建立符合实际物理现象的热模型，通过正确定义材料热特性、边界条件和求解参数，使仿真结果能够真实反映产品的热行为。8.2传热分析属性设置项目名称内容求解类型瞬态复选此按钮可运行瞬态热力算例总的时间指定瞬态分析的关注总时间(T)。默认值为1.0秒时间增量指定瞬态解算步骤的时间增量(Δt)。默认值为0.1秒。该程序将计算Δt、2(Δt)、3(Δt)、4(Δt)...和T，其中Δt是时间增量，而T是指定的总时间热力算例的初始温度使用根据热力算例（稳态或瞬态）计算的温度作为瞬态热力算例的初始条件。选择所需的“热力”算例，然后指定想要使用温度曲线的时间步长作为初始条件（对于稳态热力算例，应将“时间步长字段”设定为1）稳态稳态复选此选项可指定稳态传热分析8.2传热分析属性设置项目名称内容求解类型瞬态复选此按钮可运行瞬态热力算例液对流选项包括SOLIDWORKSFlowSimulation中的液体对流效应复选该选项可读取根据从文件的同一配置完成的FlowSimulation算例而计算的对流系数。选择所需的由FlowSimulation生成的FlowSimulation结果文件(*.fld)。屏幕上将显示与指定的文件相关联的模型名称、配置名称及流动迭代数。此选项不可用于2D简化算例解算器选项自动复选此选项将允许该软件选择要使用的解算器IntelDirectsparse选中此选项可在运行算例时使用IntelDirectSparse解算器FFEPlus复选此选项可以在运行算例时使用FFEPlus解算器Results文件夹接受默认的文件夹，或者通过浏览为结果选择另一个位置8.3实例：芯片板翅式散热器稳态散热仿真Solidworkssimulation仿真教程第7章 优化分析建立模型稳态传热仿真参数设置后处理及结果分析建立模型本案例为芯片板翅式散热仿真，仿真使用的模型为芯片零件和散热器零件组成的装配体。其草图为长24mm、宽16mm的长方形，而后左凸台拉伸，拉伸尺寸为3mm。（1）创建芯片零件模型建立模型散热器零件模型草图底板长32mm，高5mm，底板上方均布8个相同尺寸的散热翅片，每个翅片高度为15mm，宽度为2mm，翅片顶端转角处做了圆角，圆角半径为0.5mm，相邻翅片间的空隙宽度为2mm。而后进行凸台拉伸，拉伸尺寸为20mm。（2）创建板翅式散热器零件模型建立模型底面切割：首先建立矩形草图，该草图尺寸与芯片草图尺寸相同，长24mm，宽16mm，而后退出草图；（2）创建板翅式散热器零件模型建立模型单击①【插入】，在下拉列表中选择②【曲线】，然后选择③【分割线】，弹出如图813所示的界面。（2）创建板翅式散热器零件模型建立模型底面切割操作如下图六个步骤所示（2）创建板翅式散热器零件模型建立模型装配完成的零件如下图所示（3）零件装配2.稳态传热仿真参数设置模型建立完成后，即可建立散热算例，步骤如图819散热算例建立方法所示，依次单击①【Simulation】、②【新算例】、③【热力】按钮，然后输入算例名称，可自己随意命名，最后单击⑤【对号】确定。（1）建立稳态散热算例2.稳态传热仿真参数设置首先找到所新建算例的设计树中，找到芯片和散热结构两个零件，然后如步骤一所示：右键单击①散热结构零件，在弹出的下拉列表中左键单击②【应用/编辑材料】选项，即可打开材料编辑对话框。（2）材料设置2.稳态传热仿真参数设置打开的【材料】编辑对话框中，根据各部分所用材料在左侧选择相应的材料，在下方列表中进一步选择①【6063-T1】，单击②【应用】按钮。同样的方式可进行芯片材料的选择（2）材料设置2.稳态传热仿真参数设置打开的【材料】编辑对话框中，根据各部分所用材料在左侧选择相应的材料，在下方列表中进一步选择①【6063-T1】，单击②【应用】按钮。同样的方式可进行芯片材料的选择（2）材料设置2.稳态传热仿真参数设置首先在稳态传热算例的设计树中找到【连接】，单击打开其中的【零部件交互】，右键单击①【全局交互】，并在打开的下拉列表中，选择②【删除】选项。（3）连接设置2.稳态传热仿真参数设置新建交互设置，首先右键单击算例设计树中的【连接】，在打开的下拉列表中选择【本地交互】选项，打开如图825所示的界面，开始本地交互设置。①选择交互类型，此处选择【热阻】，假定芯片和散热器贴合面之间是存在热阻的；然后单击②所在输入框，再选择散热器底面上与芯片贴合的矩形面，即③所在区域；同理，按照④和⑤选定另一个交互面，即芯片上与散热器贴合的面；然后单击⑥【分布】，并在⑦位置处输入数值1e-5，表示热阻为10-5。（3）连接设置2.稳态传热仿真参数设置（3）连接设置2.稳态传热仿真参数设置首先右键单击【热载荷】，在下拉列表中选择【热量】选项；单击【所选实体】下的选择框①；然后打开设计树，选择②【芯片】实体；注意此处不要用鼠标在模型上单击芯片来选择，因为在模型上选择，只会选中芯片实体的表面，而非将芯片实体作为发热源。在③位置处输入热量数值为40，并单击④【对号】。（4）设置热源2.稳态传热仿真参数设置（4）设置热源2.稳态传热仿真参数设置首先打开对流散热设置框。步骤：在传热算例的设计树中找到【热载荷】，右键单击【热载荷】，在打开的下拉框中选择【对流】。①【所选实体】下的选择框；第二步：在模型上左键单击芯片上的各个对流散热面②，此处芯片的前后左右和上表面均是对流散热面，芯片下表面属于热传导，因此不要选芯片下表面；第三步：设置对流换热系数，输入值为100；读者应注意：不同工况下的对流换热系数的值是不同的，读者应根据实际情况进行设置，该数值通常需要实验测定或结合流体仿真来获取。第四步：设置总体环境温度，单位为K时，输入293，表示芯片周围空气温度为20℃；最后单击⑤【对号】，确认设置。（5）设置对流散热2.稳态传热仿真参数设置（5）设置对流散热2.稳态传热仿真参数设置设置散热器的对流散热。左键单击①位置，激活【所选实体】，单击②【选取所有敞开面】，此时芯片和散热器模型中所有面均被选中。但芯片上的六个面和散热器底面上的中心矩形区域均不属于散热器的对流散热面，因此需要像③和④所示，取消这几个面的选择；【选取所有敞开面】这种选择方式能够很好地解决这个问题，但需要注意的是，使用这种方式时，一定要在模型上取消选择不需要的面。步骤五：设置对流换热系数，输入值为230；步骤六：设置环境温度，输入值293，单位K；第七步，单击⑤【对号】，完成设置。（5）设置对流散热2.稳态传热仿真参数设置（5）设置对流散热2.稳态传热仿真参数设置右键单击稳态传热算例的设计树中的①【网格】选项，在下拉列表中选择②【生成网格】选项，即可打开图829b所示网格设置界面进行网格设置。步骤一：如果想要提高网格密度，即减少单个网格尺寸，增加网格数量，可简单将①【网格密度】滑块向右滑动。如果滑块划到最右边之后，还想要进一步缩小网格尺寸，增加网格数量，可按照步骤二所示，修改②网格尺寸，包括修改最大网格尺寸和最小网格尺寸；最后单击③【对号】，确认设置，即可自动划分网格（6）网格划分2.稳态传热仿真参数设置（6）网格划分2.稳态传热仿真参数设置首先右键单击散热算例名称①【稳态传热】，而后在下拉列表中选择②【运行】，系统开始计算传热。计算结束后，芯片散热模型的温度云图如图（7）计算设置3.后处理及结果分析右键单击稳态传热算例中【结果】中的【热力1】，在打开的下拉列表中单击【编辑定义】，即可打开如图833所示界面；而后在【显示】中选择①【Celsius】单位，最后单击②【对号】确认。（1）热力图解编辑定义3.后处理及结果分析首先右键单击【结果】中的①【热力1】，在打开的下拉列表中，选择②【图表选项】，即可打开如图835所示界面，在【显示选项】中，勾选上①【显示最小注解】和【显示最大注解】，即可在右边温度云图中显示最高温度和最低温度的数值以及位置。（2）热力图解图表选项3.后处理及结果分析右键单击【结果】下的①【热力1】，在打开的下拉列表中选择②【截面剪裁】选项（3）截面剪裁3.后处理及结果分析剪裁步骤如下：首先单击①所在位置，激活输入框；②单击【前视基准面】作为剪裁平面，③处输入数值为10，表示【前视基准面】平移了10mm；单击④【对号】确认设置。（3）截面剪裁谢谢大家Solidworkssimulation仿真教程SOLIDWORKSFlowSimulation第九章流体力学分析具体功能1.流体流动模拟分析2.支持热传递分析3.支持多种初始设定与边界条件4.模拟结果可视化与优化优势1.集成在自身软件2.直观易用、功能强大3.能高效处理实体几何与湍流模型4.可通过虚拟测试验证设计性能5．提供行业专用工具与模块9.1流体力学的基础知识流体力学中的很多实际问题都难以获得理论解。计算流体力学（ComputationalFluidDynamics，CFD）是借助计算机，应用数值计算来求解流体力学问题的仿真方法。计算流体力学具有成本低，运用方便，实验周期短等优点，已被广泛地应用到各个领域。常见的离散方法有有限差分法、有限体积法和有限单元法。SOLIDWORKSFlowSimulation是一款采用有限体积法的CFD软件，有限体积法也是目前大多数商业CFD软件。9.1流体力学的基础知识9.1.1基本方程1.流体力学的基本方程包括连续性方程、动量守恒方程等。（1）连续方程：（2）动量守恒方程：9.1流体力学的基础知识9.1.2有限体积法有限体积法（FiniteVolumeMethod，FVM）的基本思想是将流体系统空间离散划分为有限个任意形状的控制体（体积单元），在每个控制体上应用积分形式的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程式来进行迭代求解。具有以下优点：1．网格的适应性好，既可以适用于结构网格，也可以适用于非结构网格，可以很好地解决复杂的工程问题。2．守恒性好，从守恒性N-S方程出发，在离散过程中能保证质量、动量和能量的守恒。3．求解流固耦合问题时，能够很好地与结构仿真中的有限单元法耦合和传递数据。9.1流体力学的基础知识9.1.3网格有限体积法需要在求解域的离散网格点上计算，这些分布在流场中的离散网格点就是网格。在实际工程问题中，结构系统的几何外形可能很复杂，如何高效处理不规则的几何并生成高质量的网格，是CFD仿真最重要的内容之一。CFD网格按单元和节点在空间中的分布通常可以分为常规的结构网格和非结构网格以及直角坐标网格。图9‑1结构网格图9‑2非结构网格9.1流体力学的基础知识9.1.3网格直角坐标网格也称为浸入边界笛卡儿网格，不是常见的贴体网格形式，而是在整个流场中使用直角坐标网格，实体边界会穿越网格，即实体表面与网格不一致，所以能适应复杂的边界形状。在直角坐标网格中，网格可以分为三种类型。（1）流体网格（单元），这种网格的内部完全是流体。（2）固体网格（单元），这种网格的内部完全是固体。（3）部分网格（单元），这种网格也称为固体-流体边界网格，其内部既有流体又有固体。9.1流体力学的基础知识9.1.3网格SOLIDWORKSFlowSimulation的网格生成过程SOLIDWORKSFlowSimulation会在计算域上构建基础网格，基础网格按照0～7级来划分，级数越大，基础网格尺寸越小，整体计算域会被与直角坐标轴正交的基础网格平面划分，用户可以指定每个轴上这些平面的数量和间距。基础网格仅由计算域确定，并且不依赖于固体与流体的交界面。将与固-液界面相交的基础网格单元均匀地拆分为较小的单元来捕获固-液界面的形状。步骤：（1）将与固-液界面相交的每个基础网格单元均匀地划分为8个子单元。（2）将与界面相交的每个子单元划分为8个下一级单元。（3）以此类推，直到达到指定的单元级数或尺寸大小。（4）上一步骤得到的固-液界面处的网格，将根据固-液界面曲率进一步细化处理（即将单元进一步拆分或合并）。（5）最后，将前述过程获得的网格在计算域中进行进一步的细化处理，以满足所谓的窄通道标准。9.1流体力学的基础知识9.1.4湍流模型相对于层流而言，湍流更复杂，且存在随机性，有限体积法中需要引入数值模拟方法来描述湍流模型。根据前述N-S方程中对湍流处理尺度的不同，湍流数值模拟方法主要分为直接数值模拟（DNS）、大涡模拟（LES）和雷诺平均方法（RANS）。1.直接数值模拟（DNS）直接数值模拟是用瞬态N-S方程对湍流直接进行求解，不对湍流做任何简化和近似，在低雷诺数的理想情况下可以获得准确的结果。但在高雷诺数情况下，由于网格尺寸必须小于或等于流场中最小的漩涡尺寸，计算量非常巨大，直接数值模拟难以使用。因此直接数值模拟基本上很难用于工程问题。2.大涡模拟（LES）大涡模拟基于湍流动能传输机制，直接计算比网格尺度大的大尺度涡运动，而不直接计算小尺度涡运动，小尺度涡运动对大尺度涡的影响则通过建立近似模型，对计算机硬件的要求非常高。9.1流体力学的基础知识9.1.4湍流模型3.雷诺平均方法（RANS）雷诺平均方法是指在时间域上对流场物理量进行雷诺平均化处理，然后求解所得到的时间化控制方程。常用的模型包括Spalart-Allmaras模型、k-ε模型、k-ω模型和雷诺应力模型等。其中应用最普遍、适应性最好的模型是k-ε模型，SOLIDWORKSFlowSimulation即采用k-ε模型。雷诺平均方法计算效率较高，求解的精度也基本可以满足工程实际需要，是流体机械领域使用最为广泛的湍流数值模拟方法。k-ε模型是一种两方程模型，求解湍流动能k及湍流动能耗散率ε的输运方程。按照方程形式的不同，该湍流模型又可以分为标准k-ε模型、RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型等。9.2

FlowSimulation工作原理9.2.1定义项目1.分析类型在分析创建计算项目时，必须指定分析类型，按照流体的自然规律可分为内流和外流。内流分析，则将在以下区域执行分析：（1）仅在固体中的流体流动选项禁用，传导选项启用；（2）仅在填充了流体（作为流体区域中的流体）的固体内腔中的流体流动选项启用，传导选项禁用；（3）固体中和流体区域中的流体流动和传导选项均启用。如果固体具有未填充流体（即未参与内部流体流动分析）的封闭内腔，则可以通过启用排除不具备流动条件的腔选项将其视为填充相同的固体。外流分析，则将固体视为已完全潜入流体，并且将计算域自动生成为边界平面垂直于固体笛卡儿全局坐标系轴的直角棱镜（使用SOLIDWORKS创建固体时必须将这一点考虑在内），并使其自动远离固体。在此类分析中，固体可以没有封闭内腔（计算域中位于固体外部的任何空间均被视为填充流体），流体流动边界条件可以同时在计算域的边界平面和固体的表面上指定。9.2

FlowSimulation工作原理9.2.1定义项目2.物理特征要加快分析速度并提高执行分析的准确度，FlowSimulation提供了预定义列表，以供选择其物理特征。3.材料的定义创建FlowSimulation项目之前，应确保所有项目中固体、流体和多孔介质均存在于工程数据库中，并确保其属性与项目条件对应。所有项目流体物质和固体材料均在向导或常规设置对话框中指定。可以用一类方法指定流体和固体。4.边界条件和工程设备使用FlowSimulation解决的任何问题均必须具有边界条件。在稳态问题中，边界条件完全控制流动模式。在瞬态（非稳态）问题中，随时间变化的流动模式由初始条件和边界条件共同决定。通常的边界条件主要有速度、压力、流量、周期性和对称性。9.2

FlowSimulation工作原理9.2.1定义项目使用FlowSimulation求解的任何问题均必须具有初始条件。在稳态问题中，初始条件会影响收敛到稳态的速率。在瞬态（非稳态）问题中，初始条件会影响随时间变化的流动模式。在向导或常规设置对话框中使用不同名称指定流动初始条件：外部流动的初始条件和环境条件、内部流动的初始条件。可以将流动初始条件数据指定为以下可能的组合中的独立流动参数值：（1）对于气体：静压、静温和速度；静压、静密度和速度；静温、静密度和速度；可以指定马赫数而不是绝对速度。（2）对于液体：静压、温度和速度。此外，还可以指定以下两种湍流参数组合中的一种：湍流强度和湍流长度；湍流动能和湍流耗散。（3）如果考虑传导，则应在向导或常规设置对话框中指定默认初始固体温度。9.2

FlowSimulation工作原理9.2.2网格与方程求解1.网格FlowSimulation在计算网格上对Navier-Stokes方程进行离散化。FlowSimulation按照指定的指令自动在计算域中生成计算网格。在分析之前（即在解析方程之前）生成的计算网格称为初始网格，并包含全局网格和局部网格。2.Navier-Stokes方程的求解FlowSimulation通过迭代解析随时间变化的Navier-Stokes方程。如果分析的是非稳态（随时间变化的）问题，迭代周期就是时间步长，此步长对于计算域中的任何一处都是相同的。如果分析不是随时间变化的分析，则获得的是稳态解，因此为了更快地获得稳态解，每次迭代的时间步在计算域的不同区域中可以不同，所以迭代与时间步没有关系。9.3

FlowSimulation分析基础9.3.1分析流程在进行软件具体操作前，首先了解进行仿真模拟的基本操作，基本操作如图9-3所示。9.3

FlowSimulation分析基础9.3.2软件界面基本功能与操作步骤以SOLIDWORKSFlowSimulation软件2024版本为操作基础。主界面如图9-4所示：可自行在SOLIDWORKS软件中进行建模，或者将自己的模型转换为STEP格式导入到SOLIDWORKS的仿真界面中，如图9-4所示为一个直圆柱通口的三维模型的建模界面。9.3

FlowSimulation分析基础9.3.2软件界面基本功能与操作步骤FlowSimulation的上方菜单如图9-5所示：当模型建立完毕后，单击图9-5中框出的“FlowSimulation”进入仿真界面。即可进行向导、条件、求解、显示以及仿真结果捕捉等。9.3

FlowSimulation分析基础9.3.2软件界面基本功能与操作步骤向导界面如图9-6所示：当进入FlowSimulation后，选择【向导】菜单，进入【向导】界面，按照向导界面进行一步一步设置，可将自己所需要的边界条件、网格划分以及结果需求进行编辑，得到仿真结果。然后根据实际工况，把仿真结果和实际现象或实验结果进行比对，判断最终的仿真结果是否正确。9.3

FlowSimulation分析基础9.3.3一般操作步骤1.创建流体区域在软件中打开或者新建一个装配体或零件，然后选择【流体流动仿真】选项卡，在模型中选择闭合的空间为流体区域，并定义为外流体或者内流体区域，如图9-7所示定义为一个内流体，在只管内的流场，首先选择【工具】【创建封盖】将流体区域封闭。9.3

FlowSimulation分析基础9.3.3一般操作步骤1.创建流体区域在工具栏上选择【向导】，单击【下一步】按钮，【单位选择】，这里选SI（m-kg-s）如图9-8所示。9.3

FlowSimulation分析基础9.3.3一般操作步骤1.创建流体区域单击【下一步】按钮，【分析类型】选择内部，单击【下一步】按钮，如图9-9所示。9.3

FlowSimulation分析基础9.3.3一般操作步骤2.定义流体特征在【向导】选项卡上单击【下一步】按钮，选择【选择流体材料】，选择合适的流体类型，可从材料库中选取已有材料或创建自定义材料，同时可定义流体的温度、初始条件和边界条件。本案例中选择氩气，如图9-10所示，9.3

FlowSimulation分析基础9.3.3一般操作步骤2.定义流体特征流动类型选择层流和湍流，单击【下一步】按钮，【选择壁面条件】，绝热壁面，填写粗糙度，0微米，单击【下一步】按钮，向导设置预览，单击【完成】按钮，如图9-11所示。9.3

FlowSimulation分析基础9.3.3一般操作步骤3.设置边界条件选项卡上选择【边界条件】，根据具体工况设置流体流动的进口、出口、壁面和对称性等边界条件，可设置流量、压力或者速度等。选中【边界条件】选项卡，鼠标右键，插入边界条件，选择一个内侧的端面作为进口，选择【入口速度】，设置10m/s速度，单击【确定】按钮，如图9-12所示。9.3

FlowSimulation分析基础9.3.3一般操作步骤3.设置边界条件操作与以上速度入口设置相同，选择另一个内侧端面为出口并设置为静压出口边界条件，勾选确认，如图9-13所示。9.3

FlowSimulation分析基础9.3.3一般操作步骤4.设置模型分析目标在选项卡上选择【目标】，可设置模型的分析的速度、压力等目标参数。如图9-14所示，鼠标放置【目标】上，点击鼠标右键，选择插入选中点击【全局目标】，弹出设置界面，选择需要分析的参数，这里选择静压、总压、速度等参数。9.3

FlowSimulation分析基础9.3.3一般操作步骤5.创建网格在选项卡上选择【网格】，可选择网格类型、尺寸和精度参数，生成合适的仿真网格。如图9-15所示，鼠标放置【网格】上，点击鼠标右键，选择点击【全局网格】，弹出全局网格设置界面，设置全局网格，选择自动，初始设置为4，勾选高级通道细化和显示基础网格。9.3

FlowSimulation分析基础9.3.3一般操作步骤6.设置求解器选项在选项卡上选择【求解器选项】，选择合适的求解器，确保获得准确的仿真结果，可设置收敛准则和迭代次数等。如图9-16所示。9.3

FlowSimulation分析基础9.3.3一般操作步骤7.运行仿真在前期准备工作设置完成后，在选项卡上选择【运行】或者鼠标放在【项目】上右键选择【运行】，将开始计算流体，在此过程中可查看收敛情况、可能出现的错误或者警告信息。如图9-17、图9-18所示。9.3

FlowSimulation分析基础9.3.3一般操作步骤7.运行仿真图9-18所示。9.3

FlowSimulation分析基础9.3.3一般操作步骤8.运行完成，分析结果在选项卡上选择【分析结果】，可查看各种结果图表和图形显示，如速度、压力、温度和流量等，也可导出仿真结果进行进一步分析和报告。如图919所示为静压力云图，采用【切面图】命令来制作，在【分析结果】栏选中【切面图】，点击鼠标右键，选择【插入】，弹出【切面图】设置对话框，设置基准面、显示等高线等。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.1案例工况简介旋流分离器一般用于分离污水中较重的粗颗粒泥砂等物质，有时也用于泥浆脱水，在选矿工业中主要用于分级、分选、浓缩和脱泥。本案例中主要仿真模拟旋流分离器用于分离水中的砂粒，连续相介质为水，离散相介质为砂颗粒，具体物质物性参数见表9-1各项介质物性参数。介质名称密度（kg/m3）黏度（kg/m/s）水9980.001泥砂2600-9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.2模型描述该模型是一个典型的水力旋流器，用于分离流体中的固体颗粒，整体结构尺寸和三维模型如图9-21所示，通过采用的切向矩形入口，主要由圆柱段、圆锥段、底流管和溢流管组成。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.2模型描述该主要几何结构参数见表9-2，主要包括圆柱段直径（也称主直径）、圆柱段长度、矩形入口参数、溢流管直径、溢流管长度和底流管直径等。三维模型中简化了螺栓螺母等连接结构，直接画成了一个整体。结构参数参数尺寸主直径D（mm）70矩形入口高度a（mm）18矩形入口宽度b（mm）6溢流管直径d0（mm）18溢流管长度h0（mm）50圆柱段长度H（mm）70底流口直径ds（mm）139.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.3模型设置1.步骤一：创建封盖，单击FlowSimulation插件的工具，再单击【创建封盖】，选择给料口处的平面、溢流口平面和底流口平面创建封盖，设置封盖厚度，本例设置采用默认，软件会在给料口处、溢流口处和底流口处自动创建一个封盖，如图9-22为选择进料口处的平面创建封盖示意图。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.3模型设置2.步骤二：向导设置，该CFD仿真模型是一个内流场问题，按下图所示进行向导设置，依次【设置项目名称】、【单位系统】、【分析类型】、【流体类型及性质】、【壁面条件】和【初始条件】，如图9-23所示。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.3模型设置3.步骤三：边界条件设置，该模型的入口边界条件为体积流量，出口边界条件为环境大气压力。单击右键【边界条件】，选择【插入边界条件】选项，进入【边界条件】对话框。选中矩形入口处端盖内侧面，设置【入口速度】为5m/s，单击【充分发展流动】复选框。单击【确定】按钮退出当前对话框，如图9-24所示。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.3模型设置按上述步骤分别设置上溢流口和底流口为压力出口边界，具体为环境压力边界条件，压力为默认的数值101325Pa。单击【确定】按钮退出对话框。如图9-25所示，分别为底流口和溢流口设置的界面。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.3模型设置4.步骤四：目标设置，如下图9-26所示，选中分析树中【目标】，鼠标右键，选择【插入全局目标】选项，进入目标设置对话框，选择【速度：平均值、最大值】、【静压：平均值、最大值】。单击【确定】按钮退出对话框。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.3模型设置如图9-27所示，同样选中【目标】，鼠标右键，选择【插入表面目标】选项，进入目标设置对话框，选择上溢流口封盖的内表面，选择【体积流量】。单击【确定】按钮退出对话框。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.3模型设置重复以上溢流口目标设置步骤，设置底流口封盖内表面的【体积流量】目标，如图9-28所示。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.3模型设置5.步骤五：网格设置该模型中没有特别细小的特征，直接采用全局网格设置。如图9-29所示，设置全局网格类型为【自动】，初始网格级别为【5】，单击【高级通道细化】复选框，其他采用默认设置。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.3模型设置6.步骤六：提交计算单击命令管理器区【FlowSimulation】→【运行】或者在分析树中选中【项目】，鼠标右键，单击【运行】，提交计算，弹出【运行】对话框，如图9-30所示。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.3模型设置7.步骤七：加载结果计算完成后一般情况都会自动加载。如果出现没有加载结果的情况，请手动加载.fld结果文件。选择分析树中【结果】，鼠标右键，选择【加载】选项可以自动加载结果文件，或者单击【从文件加载】选择对应的.fld结果文件，如图9-31所示。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.3模型设置8.步骤八：设置粒子研究在分析树中【结果】子目录，选中【粒子研究】，鼠标右键，选择【向导】选项，进入粒子研究向导，如图9-32所示。单击右上角的【下一步】，进入【注入】对话框，如图所示。在【起始点】栏中单击【模式】，在【平面】栏中选择给料口封盖的内表面，在【点数】栏中设置粒子点数为100。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.3模型设置如图9-33所示，在【粒子属性】栏中设置粒子直径为【1e-05m】（10μm），材料类型为【固体】，材料为【预定义】→【砾石和基床】→【砂砾】，粒子的【质量流量】为0.01kg/s，【初始粒子速度】和【初始粒子温度】保持默认设置。单击右上角的【下一步】，进入【物理设置】对话框。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.3模型设置如图9-34所示，在【物理设置】对话框，选择【侵蚀】复选框。此处重力已经默认选择，方向为FlowSimulation项目向导中设置的重力方向。单击右上角的【下一步】，进入【默认壁面条件】对话框。如图9-35所示，在【默认壁面条件】对话框中选择【理想反射】。单击右上角的【下一步】，进入【计算设置】对话框。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.3模型设置如图9-36所示，在计算设置的【结果保存】栏中单击【迹线和统计数据】，在【默认外观】栏中的【将迹线画为】中选择【球】选项，其他采用默认设置单击右上角的【下一步】，进入【运行】对话框。如图9-37所示，在【运行】对话框单击【运行】，粒子研究开始运行。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.3模型设置如图9-38所示，在结果树中的【粒子研究】下选中【注入1】，鼠标右键，选择【属性】选项，修改该注入名称为【10μm】。如图9-39所示，鼠标选中【注入】下的【10μm】，右键，选择【克隆】选项。在注入下会增加一个名为【10μm（1）】的注入。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.3模型设置鼠标选中【注入】下的【10μm（1）】，单击右键，选择【编辑定义】选项，进入【注入】对话框，修改【粒子属性】中的粒子直径为【1.5e-05m】，其他设置保持不变，如图9-40所示。单击【确定】按钮。修改注入【10μm（1）】的属性名称为【15μm】。按上述步骤克隆创建一个粒子直径为【1e-04m】的注入，并修改该注入的属性名称为【100μm】。粒子研究设置完成后最终视图如图9-41所示。如图9-42所示，鼠标选中【粒子研究1】，选择【运行】选项，该粒子研究将开始运行。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.4后处理与结果分析查看速度与压力的结果，观察流动迹线是否形成外旋流和内旋流的流动模式。如图9-43所示，选择【结果】中的切面图，单击鼠标右键，选中【插入】，进入切面图设置界面。以【前视】平面为剖切平面显示速度的切面图。如图9-44所示，显示流体的矢量箭头。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.4后处理与结果分析按照以上步骤，同样以【前视】平面为剖切平面显示静压的切面图，如图9-45所示，静压力较大的位置出现在靠近锥体壁面和入口处，而中间部位静压力较小，上溢流口附近的静压力明显小于锥体处。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.4后处理与结果分析如图9-46所示，选择【结果】中的【流动迹线】，单击鼠标右键，【插入】，以给料口封盖内表面为起始面创建流动迹线图，从流动迹线图中可以发现确实形成了外旋流动和内旋流动，它们的旋转方向相同，都是沿顺时针旋转；所不同的是，外旋流流动速度大，而内旋流流动速度较小。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.4后处理与结果分析如图9-47所示，显示粒子流动结果。单击右键【注入】，选择【显示全部】选项，粒子流动轨迹可以显示出来。选择【注入】→【显示全部】→【播放全部】选项，可以以动画的形式显示粒子的运动。也可以单独针对每个粒子注入进行右键操作显示或播放粒子运动轨迹。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.4后处理与结果分析显示上溢流口的粒子数量。单击右键【表面参数】，选择【插入】选项，进入【表面参数】对话框，在【选择】栏中选择上溢流口或底流口封盖的内表面，在【参数】栏中单击【粒子数】复选框，单击【显示】。三种不同直径的粒子通过上溢流口、底流口的数量，如图9-48所示。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.4后处理与结果分析如图9-49所示，显示冲蚀速率结果。鼠标在【结果】中选中【表面图】，单击鼠标右键，选择【插入】选项，进入【表面图】对话框。在【选择栏】中选中【使用所有面】复选框，在【等高线】栏中选择【冲蚀速率】选项，单击【确定】按钮退出对话框，即可显示冲蚀速率表面图。9.4实例：旋流分离器-内部旋转流动稳态分析9.4.5讨论：实时耦合与顺序耦合耦合通常分为实时耦合与顺序耦合。实时耦合是在仿真模型中同时考虑两种或两种以上物理场的计算，如流体流动、固体结构变形、温度场、电磁场等，的计算量通常较大，同时对软件功能和性能要求较高。顺序耦合的思路是将2个场分别计算，用其中一个场计算得到的结果作为另外一个场的初始或者边界条件。具体实现步骤为首先进行一种物理场的计算，然后将该物理场的计算结果作为初始条件或边界条件导入到下一个模型中计算，前提条件是这两种或两种以上物理场是可以解耦的。9.5实例：圆柱绕流-外部流动瞬态分析9.5.1案例工况简介圆柱绕流是一种经典的流动现象，所形成的流型与雷诺数Re密切相关。雷诺数不一样流体绕流形成的流型区别较大，也具备不一样的流动特性，如图9-51所示：9.5实例：圆柱绕流-外部流动瞬态分析9.5.2模型描述本案例中主要分析在温度293.2K和压力为101325Pa时，水流流过直径为0.02m，长度为0.1m的圆柱体所形成的圆柱绕流现象，其中设置流动的雷诺数为200时，输入的流体湍流强度为1%，计算其对应的阻力系数，三维模型如图952所示。9.5实例：圆柱绕流-外部流动瞬态分析9.5.3模型设置1.步骤一：创建封盖前文已经阐述零件的创建，故在该位置不再赘述，由于本案例为外部流动，不需要定义入口和边界条件的封盖，只需要对整个计算域定义流动条件。2.步骤二：向导设置该CFD仿真模型是一个外流场问题，具体参数按照表9-3进行设置，具体操作步骤按下图所示进行向导设置，依次【设置项目名称】、【单位系统】、【分析类型】、【流体类型及性质】、【壁面条件】和【初始条件】。9.5实例：圆柱绕流-外部流动瞬态分析9.5.3模型设置项目名称设置选项配置使用默认值项目名称Re200单位系统SI（m-kg-s）分析类型物理特征外部对这个特定模型，不需要勾选【排除不具备流动条件的腔】复选框，因为不存在内部空间勾选【瞬态分析】复选框在【分析总时间】框中，输入88s在【输入时间步长】中，输入4s分析类型选择【外部】流体介质选择在【液体】列表中，选择【水】壁面条件在【默认壁面热条件】列表中，选择【绝热壁面】在【粗糙度】框中，输入0微米初始条件和环境条件在【速度参数】下，单击【X方向的速度】单元格单击【相关性】按钮，在【相关性】对话框中，【相关性类型】选择【公式定义】在【公式】对话框中输入200*（0.00101241/0.02/998.19）。这是相对自由流速度的雷诺数计算公式。单击【确定】选择【湍流参数】，设置【湍流强度】为1%

单击【完成】表9‑3选项卡的项目及设置9.5实例：圆柱绕流-外部流动瞬态分析9.5.3模型设置如图953所示，在FlowSimulation的求解器假设所有的分析都是瞬态，而设定的“稳态”分析只是观察流动区域的收敛进而判断是否达到稳定状态。分析运算时间是为了让流动能够充分发展而设定的时间，本案例中设置的88s。湍流强度对外部流动设置默认值为0.1%，对内部流动设置的默认值为2%。a）设置项目名称单位系统9.5实例：圆柱绕流-外部流动瞬态分析9.5.3模型设置c）壁面条件初始条件b）分析类型流体类型及性质9.5实例：圆柱绕流-外部流动瞬态分析9.5.3模型设置3.步骤三：计算域与边界条件设置本案例中假设圆柱体无限长，沿着圆柱的长度方向（Y向），流域不会发生变化，故可利用对称的条件来模拟平面流动。在分析树中，选中【计算域】，单击鼠标右键，选择【编辑定义】。在【计算域】编辑对话框中选择【类型】，选中【2D模拟】，选择【XZ平面】。在计算域的【大小和条件】选项组中，按照图9-54所示输入对应的尺寸，在Y方向边界类型自动设置为对称，不需要再设置其他边界条件。9.5实例：圆柱绕流-外部流动瞬态分析9.5.3模型设置4.步骤四：目标设置如图9-55所示，选中分析树中【目标】，鼠标右键，选择【插入全局目标】选项，进入目标设置对话框，选择【力（X）】。单击【确定】按钮退出对话框。9.5实例：圆柱绕流-外部流动瞬态分析9.5.3模型设置软件中设置如图9-56所示，选中分析树中【目标】，鼠标右键，选择【插入方程目标】选项，在对话框中选中全局目标的【GGForce(X)1】，将其添加到表达式框中，在表达式框