Ansys共軛傳熱分析實(shí)例

1、 算傳熱共計(jì)軛 ?(2012-12-1909:53:07) 載轉(zhuǎn) FLUENT技巧標(biāo)簽：? 分類(lèi)：? 雜談共軛傳熱：流體傳熱與固體傳熱相互耦合。由于流體求解器同時(shí)具備流體與固體傳熱計(jì)算流體求解器能夠求解因此可以直接采用流體求解器進(jìn)行求解，無(wú)需使用流固耦合計(jì)算。的能力， 流體對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射傳熱，對(duì)于固體傳熱計(jì)算，只能求解熱傳導(dǎo)方程。 中的求解方法。本例演示共軛傳熱問(wèn)題在FLUENT 、問(wèn)題描述1如圖1所示的計(jì)算區(qū)域，既包含流體區(qū)域也包含固體區(qū)域。在初始狀態(tài)下，流體域與固體與溫度均為293K，然后給固體域底部施加恒定溫度434K，計(jì)算分析計(jì)算域內(nèi)溫度隨時(shí)間分布規(guī) 律。邊界條件如圖中所示。 計(jì)算域

2、描述圖1 、建立幾何模型并劃分網(wǎng)格2 利用DM建立如圖1所示2D平面幾何。采用全四邊形網(wǎng)格劃分，如圖2所示。 為所有邊界命名，尤其是流體和固體區(qū)域交界面，后面需要在求解器中進(jìn)行設(shè)置。 求解設(shè)置Fluent3、進(jìn)入 本例為瞬態(tài)計(jì)算。 涉及到熱量傳遞，因此需要激活能量方程。 流體介質(zhì)為理想氣體，考慮其在溫度影響下密度變化。 考慮重力影響，設(shè)置重力加速度向量0,-9.81,0，設(shè)置操作密度為0。如圖3所示。壓力-速度耦合方程采用PISO求解方式，對(duì)流項(xiàng)計(jì)算采用QUICK算法，其他項(xiàng)采用二階 迎風(fēng)格式。 網(wǎng)格模型圖2 圖3操作項(xiàng)設(shè)置面板 。，固體域介質(zhì)為默認(rèn)的AL設(shè)置流體域介質(zhì)為air 所示邊界條件設(shè)

3、置計(jì)算域邊界。按圖1 所示進(jìn)行設(shè)置。創(chuàng)建交界面，如圖4 設(shè)置交界面4圖 、初始化計(jì)算4 設(shè)置初始化溫度293K，如圖5所示。 圖5初始化面板 設(shè)置自動(dòng)保存選項(xiàng)與動(dòng)畫(huà)錄制項(xiàng)。 設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)0.1s，時(shí)間步數(shù)100，內(nèi)迭代次數(shù)20基于Fluent與ANSYSworkbench的齒輪箱熱固耦合溫度場(chǎng)仿真案例 3966?2015-12-0817:45:38 簡(jiǎn)介：今天為大家?guī)?lái)齒輪箱瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真的原創(chuàng)案例。限于篇幅，這個(gè)帖?子不像之前一樣把所有設(shè)置一步步貼圖，因此只給出關(guān)鍵圖，設(shè)置全部給是動(dòng)圖，但是好像帖子里動(dòng)不起來(lái)，可以點(diǎn)1和圖23出了表格形式。圖 擊我的頭像作品展示里有動(dòng)態(tài)圖。 1齒輪箱甩油潤(rùn)滑

4、圖 齒輪減速結(jié)構(gòu)是機(jī)械傳動(dòng)中最常見(jiàn)的形式，如下圖。 2?齒輪箱結(jié)構(gòu)圖 因此齒輪系統(tǒng)的溫度場(chǎng)必須進(jìn)行關(guān)注，以確保：由于齒輪之間存在摩擦，? overheating）齒輪結(jié)構(gòu)沒(méi)有過(guò)熱（ o 保證齒輪結(jié)構(gòu)的完整性 o避免滑油過(guò)熱引發(fā)的性能下降（粘度降低）及事故發(fā)生（如風(fēng)機(jī)裝 o 置有可能油起火）進(jìn)一步延伸的話(huà)，由溫升引發(fā)的熱應(yīng)力是分析齒輪與齒輪軸，乃至軸承? 與殼體的熱疲勞問(wèn)題的必要計(jì)算條件。這個(gè)問(wèn)題另外開(kāi)帖與大家探討。 正文：齒輪溫度場(chǎng)涉及到摩擦學(xué)、傳熱學(xué)、機(jī)械傳動(dòng)理論和有限元分析等多學(xué)? 科領(lǐng)域的知識(shí)，是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題。?1969年，BlokH闡述了熱網(wǎng)絡(luò)理論，其本質(zhì)是考慮系統(tǒng)中各部分生熱，

5、在網(wǎng)絡(luò)中用一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示，每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示每部分的平均溫度。通過(guò)整體分析得到要求的的各部分的溫度值。這種方法的缺陷在于，首先必須建立熱阻、功率損失、對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算模型，而這些參數(shù)不容易獲得。那么我們考慮用仿真的手段去求解這個(gè)問(wèn)題。 ?我們首先來(lái)分析齒輪箱的結(jié)構(gòu)，齒輪箱機(jī)械結(jié)構(gòu)由殼體、端蓋、大小齒輪、軸承、軸以及其他附件構(gòu)成，我們首先要搞清楚分析的對(duì)象。殼體的溫度是否是我們關(guān)注的要點(diǎn)？在本例中不是，那么我們的分析對(duì)象就是殼體中的所有元素，殼體只作為仿真的外邊界。軸承和軸在仿真中的意義也不明顯，因此我們都予以簡(jiǎn)化。 分析傳熱模型，齒輪摩擦生熱是熱源，這些熱量通過(guò)幾種方式傳播： 1.熱傳導(dǎo)從齒緣往齒輪中

6、心傳導(dǎo) 2.熱對(duì)流齒輪和潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油和空氣，又稱(chēng)為共軛傳熱 3.熱輻射溫度不高，輻射量小可忽略 ?因此，滑油和空氣是傳熱的介質(zhì)，必須在模型中考慮進(jìn)去（事實(shí)上這部分傳熱達(dá)到91%）?；秃涂諝馐莾上啵虼艘褂玫絝luent的多相流模型；要模擬甩油過(guò)程，要使用動(dòng)網(wǎng)格模型；要模擬傳熱過(guò)程，利用fluent內(nèi)建的傳熱模型。這三者是本案例的核心。 ?這里不得不提到兩位外國(guó)學(xué)者，GuillaumeHouzeaux對(duì)齒輪泵進(jìn)行了仿真，并且關(guān)注局部網(wǎng)格，這可能是最早對(duì)齒輪+流體進(jìn)行仿真；而F.Lemfel率先采用兩相流模型捕捉了齒輪箱內(nèi)的流體瞬態(tài)變化情況，但他在網(wǎng)格d方面的處理比較簡(jiǎn)單，對(duì)齒輪齒形進(jìn)行了切

7、除，同時(shí)使用一定的壁面粗糙度值模擬齒形的存在，使齒輪能夠甩油。 說(shuō)了這么多廢話(huà)，現(xiàn)在回到主題。 圖3流固熱耦合仿真流程 ?本例需要用到的模塊包括fluent模塊，其中又集成了ansys自帶的幾何處理與網(wǎng)格劃分工具。后面與fluent共享結(jié)果的是穩(wěn)態(tài)熱分析模塊，以及靜力結(jié)構(gòu)模塊，用來(lái)分析熱應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，如用來(lái)分析熱變形，限于篇幅本例不涉及。本例實(shí)際流程可以簡(jiǎn)化如下，我個(gè)人喜歡拆分不同的模塊，這樣方便“故障隔離”: 圖4?流體仿真流程 一、模型簡(jiǎn)化與網(wǎng)格劃分 ?由于復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)會(huì)增加網(wǎng)格劃分的難度，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)目的無(wú)謂增加，加大計(jì)算量，因此對(duì)齒輪減速器三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：殼體的凸臺(tái)、通孔、墊圈

8、等予以去除；統(tǒng)一壁面厚度；滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)在對(duì)應(yīng)位置采取同心圓環(huán)來(lái)表示，方便施加熱流。這里的模型簡(jiǎn)化工作是用SpaceClaim做的。簡(jiǎn)化后的模型如圖所示： 圖5?簡(jiǎn)化模型 圖6?仿真模型 ?這幅圖中可以看得更清楚，經(jīng)過(guò)模型簡(jiǎn)化后，流體部分的外輪廓線(xiàn)是比以后計(jì)算熱固耦合的時(shí)候，這樣注意這部分必須與齒輪箱貼合，較簡(jiǎn)潔的?？梢詡鬟f這個(gè)面上的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，如下圖所示。這部分內(nèi)容本帖中不涉及，本案例在流體外部用fluent的虛擬壁厚技術(shù)模擬一個(gè)殼體。 ?一些基礎(chǔ)幾何參數(shù)： 圖7?仿真模型與箱體示意圖 ?齒輪傳動(dòng)的核心是齒輪副，對(duì)此不做任何簡(jiǎn)化以保證計(jì)算結(jié)果精度。但是漸開(kāi)線(xiàn)齒輪在現(xiàn)實(shí)中在節(jié)圓嚙合，那么兩齒輪中

9、間的網(wǎng)格最小處趨近于0，無(wú)法劃分網(wǎng)格。目前通用的手段就是拉大中心距，只需將二齒輪中間拉大適當(dāng)距離，保證有2-3層網(wǎng)格即可。這個(gè)改動(dòng)的影響在可接受范圍內(nèi)。 ?網(wǎng)格劃分采用ANSYS自帶?Meshing模塊，先壓制齒輪固體，再將齒輪齒形處進(jìn)行一定細(xì)化，流體固體域分別劃分網(wǎng)格。 這里要準(zhǔn)確理解ANSYSWORKBENCH的part意義，將建模時(shí)不同的body放在一個(gè)part下與不放在一個(gè)part下有什么區(qū)別？很多新手都會(huì)遇到這個(gè)問(wèn)題，至少我是這么走過(guò)來(lái)的，但是沒(méi)看到有任何一本書(shū)講清楚了這個(gè)問(wèn)題。其實(shí)，其區(qū)別簡(jiǎn)單來(lái)看就是節(jié)點(diǎn)是否共享。 圖8?網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)是否共享的區(qū)別 ?這里我簡(jiǎn)單畫(huà)了一個(gè)示意圖（畫(huà)的比較

10、難看），從圖中可以看出二者的區(qū)別。兩種方法在fluent中的區(qū)別是：前者流體與固體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)共享，在fluent中會(huì)自動(dòng)對(duì)命名完畢的固體域生成shadow面，比如driven-shadow。若不放在一個(gè)part下，fluent會(huì)自動(dòng)檢測(cè)各個(gè)part（獨(dú)立幾何結(jié)構(gòu)視作一conta，對(duì)中完成）meshing）之間的接觸區(qū)域（其實(shí)此部分工作在part個(gè)ctregion生成interface。Interface就是交界面，這個(gè)面在fluent中可以用來(lái)傳遞域間參數(shù)，如壓力、熱等。 網(wǎng)格劃分完畢的效果如圖： 圖9?整體網(wǎng)格 圖10局部網(wǎng)格 ?以上網(wǎng)格都是四面體單元，方便進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置。如不要求精確解，我們

11、可以減小網(wǎng)格數(shù)目，采取以下這種單元數(shù)目較少的網(wǎng)格。可以看出，body之間的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不共享。 圖11?簡(jiǎn)化網(wǎng)格 ?一些和網(wǎng)格劃分有關(guān)的細(xì)節(jié)，可以按照這個(gè)表格去進(jìn)行具體設(shè)置。這里的Advancedsizing功能一定要打開(kāi)，否則在邊角處生成的網(wǎng)格質(zhì)量很差。表中用顏色標(biāo)出了影響較大的設(shè)置項(xiàng)。 ?在fluent中導(dǎo)入網(wǎng)格以后，第一步一定要進(jìn)行網(wǎng)格檢查。 ?注意幾個(gè)參數(shù)的數(shù)值，如果太差，動(dòng)網(wǎng)格部分可能會(huì)報(bào)錯(cuò)，一般是出現(xiàn)負(fù)體積。 二、產(chǎn)熱分析 ?齒輪傳動(dòng)的產(chǎn)熱主要來(lái)源是齒輪嚙合產(chǎn)熱。這部分的產(chǎn)熱以目前的技術(shù)手段難以從仿真直接獲得，但是有相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算方便，模型中相關(guān)系數(shù)的獲得比較容易。And

12、erson和Loewenthal法將齒輪的功率 分為三部分，滑動(dòng)、滾動(dòng)和風(fēng)阻損失。?由于閉式傳動(dòng)風(fēng)阻損失較小，忽略風(fēng)阻損失。滑動(dòng)和滾動(dòng)損失分別由以下公式確定： ?齒輪滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦損失分配到嚙合的兩齒輪關(guān)系式： ?通過(guò)公式計(jì)算生熱過(guò)程不再贅述。生熱的施加在本例中是一個(gè)重點(diǎn)，因?yàn)槭褂昧私唤缑孢M(jìn)行熱交換，并且兼容動(dòng)網(wǎng)格，但是fluent不支持在交界面上施加熱源，因此我們要計(jì)算出生熱量，作為體積熱源施加到齒輪固體域上。 udf見(jiàn)文后附件，熱源大小假設(shè)是5000w/m3： ?編譯并且掛載udf以后，作為體積熱源賦給固體域： 圖12體積熱源設(shè)置 三、fluent仿真模型分析 圖13fluent中的模型

13、?Fluent中整體模型如圖所示?，F(xiàn)在我們來(lái)分析具體設(shè)置。 3.1?殼體與邊界處理 ?齒輪減速器的熱量來(lái)自于齒輪嚙合部位以及軸承，一般軸承產(chǎn)熱約為齒輪嚙合產(chǎn)熱的1%，忽略。當(dāng)齒輪減速器在某一工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸及滑油作為傳熱的媒介，將熱量傳導(dǎo)殼體，殼體又通過(guò)外部空氣對(duì)流換熱，與安裝底座熱傳導(dǎo)。這里，殼體可以利用Fluent的帶厚度壁面技術(shù)，虛擬一個(gè)殼體熱阻，自定義換熱系數(shù)，將殼體參數(shù)化處理。在BoundaryConditions ）即可。30mm的設(shè)置項(xiàng)，設(shè)置一個(gè)合理數(shù)值（wallthickness中找到圖14?虛擬殼體設(shè)置 ?固體域和流體域的換熱前文已經(jīng)說(shuō)過(guò)，通過(guò)交界面進(jìn)行： 圖15?交界面設(shè)置 ?注意這里交界面的兩側(cè)，fluent已經(jīng)自動(dòng)為其加后綴命名進(jìn)行區(qū)分，一個(gè)是源面，一個(gè)是目標(biāo)面。當(dāng)然你也可以在上一步劃分網(wǎng)格的時(shí)候就自己命名，這樣更有利于辨識(shí)。比如我這里一個(gè)面叫做driven，一個(gè)叫做dr