(完整版)利用FLUENT软件模拟流固耦合散热实例

基于MpCCI 的Abaqus 和Fluent 流固耦合案例mafuyin摘要：通过MpCCI 流固耦合接口程序，对某薄壁管道流动中的传热过程进行了Abaqus 和Fluent 相结合的流固耦合仿真分析。

信息介绍了从建模、设置到求解计算和后处理的全过程，对相关研究人员具有参考意义。

1 分析模型用三维建模软件solidworks 建立了一个管径为1m 的弯管，结构尺寸如图1a 所示，管的结构如图1b 所示，流体的模型如图1c 所示。

值得注意的是，由于拓扑特征的原因，这样的管壁模型无法通过对圆环扫略直接生成，而需先通过对大圆的扫略生成实心的模型(类似于流体模型)，然后进行抽壳得到管壁的模型。

用同样的方法对大圆半径减去管壁厚度的圆进行扫略得到流体模型。

a. 尺寸关系b. 管壁结构c. 流体模型图1. 几何模型示意图图2. 流固耦合传热分析模型示意图内壁面(耦合面) 速度入口v=6m/s; T in =600K 外壁面压力出口 P=0Pa ；T out =300K由于管壁结构和流体的热学行为不同，传热系数等都不一样，所以属于典型的流固耦合传热问题，热学模型如图2所示。

即管的一端为流体速度入口，一端为压力出口，给定流体外壁面一个初始温度600K，流体入口速度为6m/s，温度为600K，出口相对大气压力为0Pa，出口温度为300K。

需要求解流体和管壁的温度场分布情况。

2 流体模型将图1c的流体模型以Step格式导入Fluent软件通常使用的前处理器Gambit 中，如图3a所示。

设置求解器为，然后划分体网格，网格尺寸为100mm，类型为六面体单元，一共生成4895个体单元，网格如图3b所示。

a. 导入Gambit软件中的流体模型b. 流场的网格模型图3. 流体模型及网格示意图进行网格划分后，需定义边界条件，在Gambit软件中先分别定义速度入口(VELOCITY_INLET)、压力出口(PRESSURE_OUTLET)和壁面(Wall)三组边界条件，具体参数设置在Fluent软件中进行。

ansys流固耦合案例1. Ansys流固耦合案例：热沉设计热沉是一种用于散热的设备，通常用于电子设备中，以降低温度并保护设备不受过热损坏。

在设计热沉时，流体流动和热传导是两个重要的物理过程。

Ansys流固耦合可以帮助工程师模拟和优化热沉的设计。

在这个案例中，我们考虑了一个由铝合金制成的热沉。

热沉的底部与电子设备紧密接触，通过流体流动和热传导来吸收和传递热量。

通过使用Ansys的流固耦合模块，我们可以解决以下问题：1) 流体流动模拟：我们可以使用Ansys Fluent模块模拟流体在热沉内部的流动情况。

通过设定合适的边界条件和材料属性，我们可以计算出流体的速度场和压力场。

2) 热传导模拟：我们可以使用Ansys Mechanical模块模拟热沉内部的热传导过程。

通过设定热源和材料属性，我们可以计算出热沉内部的温度分布。

3) 流固耦合模拟：在流体流动和热传导模拟的基础上，我们可以使用Ansys的流固耦合模块将二者结合起来。

通过设定合适的耦合条件，我们可以模拟出流体对热沉的冷却效果，并计算出热沉的最终温度分布。

通过这个案例，我们可以优化热沉的设计，以达到更好的散热效果。

我们可以调整热沉的几何形状、材料属性和流体流动条件，以最大程度地提高散热效率，并确保电子设备的正常运行。

2. Ansys流固耦合案例：风力发电机叶片设计风力发电机叶片是将风能转化为机械能的关键部件。

在设计风力发电机叶片时，流体力学和结构力学是两个重要的物理过程。

Ansys 流固耦合可以帮助工程师模拟和优化叶片的设计。

在这个案例中，我们考虑了一个三叶式风力发电机叶片。

叶片由复合材料制成，通过受风力作用，将机械能传递给发电机。

通过使用Ansys的流固耦合模块，我们可以解决以下问题：1) 风场模拟：我们可以使用Ansys Fluent模块模拟风力对叶片的作用。

通过设定合适的边界条件和材料属性，我们可以计算出风场的速度场和压力场。

2) 结构分析：我们可以使用Ansys Mechanical模块模拟叶片的结构响应。

双向流固耦合实例（Fluent与structure）说明：本例只应用于FLUENT14.0以上版本。

ANSYS 14.0是2011年底新推出的版本，在该版本中，加入了一个新的模块System Coupling，目前只能用于fluent与ansys mechanical的双向流固耦合计算。

官方文档中有介绍说以后会逐渐添加对其它求解器的支持，不过这不重要，重要的是现在FLUENT终于可以不用借助第三方软件进行双向流固耦合计算了，个人认为这是新版本一个不小的改进。

模块及数据传递方式如下图所示。

一、几何准备流固耦合计算的模型准备与单独的流体计算不同，它需要同时创建流体模型与固体模型。

在geometry模块中同时创建流体模型与固体模型。

到后面流体模型或固体模块中再进行模型禁用处理。

模型中的尺寸：v1:32mm，h2:120mm，h5:60mm，h3:3mm，v4:15mm。

由于流体计算中需要进行动网格设置，因此推荐使用四面体网格。

当然如果挡板刚度很大网格变形很小时，可以使用六面体网格，划分六面体网格可以先将几何进行slice切割。

这里对流体区域网格划分六面体网格，固体域同样划分六面体网格。

二、流体部分设置1、网格划分双击B3单元格，进入meshing模块进行网格划分。

禁用固体部分几何。

设定各相关部分的尺寸，由于固体区域几何较为整齐，因此在切割后只需设定一个全局尺寸即可划分全六面体网格。

这里设定全局尺寸为1mm。

划分网格后如下图所示。

2、进行边界命名，以方便在fluent中进行边界条件设置设置左侧面为速度进口velocity inlet，右侧面为自由出流outflow，上侧面为壁面边界wall_top，正对的两侧面为壁面边界wall_side1与wall_side2（这两个边界在动网格设定中为变形域），设定与固体交界面为壁面边界（该边界在动网格中设定为system coupling类型）。

操作方式：选择对应的表面，点击右键，选择菜单create named selection，然后输入相应的边界名称。

【流体】Fluent双向流固耦合实例-竖板震荡仿真此案例是ANSYS自带帮助文档里，关于双向流固耦合仿真的例子，作为耦合仿真入门的案例，是挺不错的。

本文仿真软件：Transient Structural + Fluent案例描述：高1m，厚度0.06m的弹性板固定在地面上，在开始的0.5s时间内，对板一面施加100Pa的力，板子受力后弯曲。

然后撤销力，板子会回弹不断震荡。

四周是无风状态。

现在仿真此板子的受力运动过程引起附近空气的震荡，以及空气阻力对版子运动状态的影响。

一、Workbench平台搭建启动workbench软件，在软件左侧的Toolbox中调出三个模块到软件右侧的Project Schematic窗口中：Transient Structural ，Fluid Flow (Fluent)以及System Coupling。

它们之间的数据连接如下图所示。

二、固体力学仿真2.1 在workbench界面，双击A2 Engineering Data。

在打开的软件界面中，在A4单元格输入新材料名字“plane”，然后将左侧Toolbox的Density和Isotropic Elasticity两个属性用鼠标左键拖进A4单元格“plane”中，在软件正下方出现这两个参数设置。

将新建的plane材料设置为默认的固体材料。

右键A4单元格“plane”>“Default Solid Material For Model”。

然后关闭Engineering Data软件界面，返回workbench界面。

2.2 导入几何。

鼠标右键A3 Geometry >Import Geometry > Browse，打开“oscillating_plate.agdb”几何文件所在位置并导入。

几何文件在文末有下载链接。

然后双击打开A3 Geometry，进入Geometry软件界面。

生成几何并Suppress流体域“Fluid”。

FLUENT流固耦合传热设置问题
看到很多网友对于fluent里模拟流固耦合传热（同时有对流和导热）有很多疑问，下面说说我的解决方法。

1，首先要分清你的问题是否是流固耦合传热。

（1）如果你的传热问题只是流体与固体壁面的传热，不涉及到固体壁面内部的导热，那么这就是一个对流传热问题，不是流固耦合传热问题，
这时候你只需要设置壁面的对流换热系数即可。

如下图
注意右边这几个参数的含义：从上往下依次为：壁面外部的对流传热系数；外部流体温度；壁面厚度；壁面单位体积发热率。

这里没有内部流体的对流传热设置，因为fluent会根据流体温度以及壁面温度，利用能量守恒，自动计算内壁流体与壁面的对流换热情况。

（2）流固耦合传热问题。

在建模的时候你应该定义两个区域，流体区域和固体区域，并且在切割区域的时候，你应该选中connect，如下图所
示
边界条件设置：交界面为wall。

在导入fluent以后，fluent就会自动生成wall-shadow。

这样在流固交界面上就生成了一对耦合的面，如下图所示，。

2，耦合传热设置问题
（1）首先就是求解器的设置问题，应该选择耦合求解器，虽然计算速度会慢一些，但是这更符合实际情况，更容易收敛，误差更小。

如果是非
稳态过程还应选择unsteady。

如下图所示
（2）交界面设置问题，这个是关键。

不用过多的设置只需要选择coupled。

这样fluent就会自动计算耦合面的传热问题。

如下图所示
（3）当然还要选择能量方程。

其他诸如湍流模型、材料设置、进出口条件等等，需要你根据实际情况设定，这里不再雷述。

说明：本例只应用于FLUENT14.0以上版本。

ANSYS 14.0是2011年底新推出的版本，在该版本中，加入了一个新的模块System Coupling，目前只能用于fluent与ansys mechanical的双向流固耦合计算。

官方文档中有介绍说以后会逐渐添加对其它求解器的支持，不过这不重要，重要的是现在FLUENT终于可以不用借助第三方软件进行双向流固耦合计算了，个人认为这是新版本一个不小的改进。

模块及数据传递方式如下图所示。

一、几何准备流固耦合计算的模型准备与单独的流体计算不同，它需要同时创建流体模型与固体模型。

在geometry模块中同时创建流体模型与固体模型。

到后面流体模型或固体模块中再进行模型禁用处理。

模型中的尺寸：v1:32mm，h2:120mm，h5:60mm，h3:3mm，v4:15mm。

由于流体计算中需要进行动网格设置，因此推荐使用四面体网格。

当然如果挡板刚度很大网格变形很小时，可以使用六面体网格，划分六面体网格可以先将几何进行slice切割。

这里对流体区域网格划分六面体网格，固体域同样划分六面体网格。

二、流体部分设置1、网格划分双击B3单元格，进入meshing模块进行网格划分。

禁用固体部分几何。

设定各相关部分的尺寸，由于固体区域几何较为整齐，因此在切割后只需设定一个全局尺寸即可划分全六面体网格。

这里设定全局尺寸为1mm。

划分网格后如下图所示。

2、进行边界命名，以方便在fluent中进行边界条件设置设置左侧面为速度进口velocity inlet，右侧面为自由出流outflow，上侧面为壁面边界wall_top，正对的两侧面为壁面边界wall_side1与wall_side2（这两个边界在动网格设定中为变形域），设定与固体交界面为壁面边界（该边界在动网格中设定为system coupling类型）。

操作方式：选择对应的表面，点击右键，选择菜单create named selection，然后输入相应的边界名称。

【Fluent案例】11：流固耦合[2]上文获取到U型管最大Y方向振动振型所对应的频率为50.4Hz。

本文接上文继续。

1瞬态结构计算设置•Workbench界面中，双击B5单元格进入Transient Structural•右键选择模型树节点Transient，选择弹出菜单Insert → Fixed Support•选择管道进出口两侧最外圈的两个圆边，施加固定约束•右键选择模型树节点Transient，选择弹出菜单Insert →Displacement，属性窗口中，Geometry设置为图中所示选择面•选择Y Component设置框右侧的箭头按钮，选择Function，设置Y Component为0.000025*sin(50.4*360*time)•选择模型树节点Analysis Settings，属性窗口中设置Auto Time Stepping为Off，设置Step End Time为0.1s，设置Time Step为5e-4 s•右键点击模型树节点Transient，选择弹出菜单Insert →Fluid Solid Interface•属性窗口中设置Scoping Method为Named Selection，设置Named Selection为fsi_solid•右键选中模型树节点Solution，选择弹出菜单Insert → Deformation → Directional•属性窗口中，设置Scoping Method为Named Selection，设置Named Selection为Node1，设置Orientation为Y Axis•相同的步骤，插入Node2关闭Transient Structural，返回Workbench。

2稳态Fluent设置先进行稳态Fluent设置，将稳态计算结果作为初始值。

•双击C4单元格，以Double Precision方式启动Fluent•右键选中模型树节点Viscous，选择弹出菜单Model → SST k-omega启用SST k-w湍流模型•右键选择模型树节点Materials > Fluid，选择弹出菜单New…，在材料数据库中添加介质water-liquid，修改其密度Density为1000 kg/m3•右键选择模型树节点Cell Zone Conditions，选择弹出菜单Edit…，弹出计算域设置对话框•在弹出的对话框中设置Material Name为water-liquid•右键选择模型树节点Boundary > inlet，选择右键菜单Edit…，弹出边界条件设置对话框•在对话框中设置velocity Magnitude为20 m/s，设置Specification Method为Intensity and Hydraulic Diameter，设置Turbulent Intensity为1%，设置Hydraulic Diameter为0.02 m•设置outlet边界，如下图所示•双击模型树节点Solution > Method，右侧面板中设置Pressure-Velocity Coupling Scheme为Coupled，激活选项Pseudo Transient及High Order Term Relaxation•右键选择模型树节点Solution > Initialization，选择弹出菜单Initialize进行初始化•鼠标双击模型树节点Solution > Run Calculation，右侧面板中设置Number of Iterations为200，点击按钮Calculate进行计算•关闭Fluent返回Workbench3数据连接•Workbench中，复制Fluent组件，如下图所示•采用如下图所示的数据连接•添加System Coupling模块，并连接B5与D4单元格，如下图所示4瞬态Fluent设置•双击D5单元格进入Fluent•双击模型树节点General，右侧面板中设置Time为Transient•双击模型树节点Dynamic Mesh，右侧面板中激活选项Dynamic Mesh，点击下方按钮Settings…，在弹出的对话框中设置Method为Diffusion，设置Diffusion Parameter为1，点击OK按钮关闭对话框•点击Dynamic Mesh Zones下方的Create/Edit…按钮，在弹出的对话框中选择Zone Name为fsi_fluid，设置其Type为System Coupling，点击Create按钮创建动网格区域•双击模型树节点Run Calculation，右侧面板中设置Number of Time Steps为1，设置Max Iterations/Time Step为5注：这里其实可以随便设，反正Fluent 计算所采用的时间步和时间步长受systemcoupling控制•关闭Fluent，返回至Workbench•右键点击B5单元格，选择菜单Update更新组件5System Coupling设置•双击E2单元格进入System Coupling设置窗口•选中Analysis Settings，下方窗口中设置End Time为0.1 s，设置Step Size为0.0005 s，如下图所示•按住键盘ctrl键同时选择Fluid Solid Interface及fsi_fluid，选择右键菜单项Create Data Transfer•关闭System Coupling设置界面，返回至Workbench界面•右键选择E3单元格，选择菜单项Update进行求解求解时间较长，可能需要等待一两个小时。

fluent 热流固耦合随着科技的不断发展和创新，计算机仿真技术在各个行业也有着越来越广泛的应用。

其中，热流固耦合是一种非常重要的仿真技术，在很多领域都具有广泛的应用。

其中，Fluent热流固耦合技术更是一个非常值得关注的研究领域，下面将从基本原理、建立模型、计算求解等多个方面对它进行详细的讲解。

一、基本原理Fluent热流固耦合技术是建立在CFD（计算流体力学）和FEM（有限元方法）的基础之上的，主要是应用在热问题中。

其基本思想是将热传导、热对流和热辐射等引起的热流场与温度场进行非线性计算，得到各个部位的温度分布和热流分布，同时保证热流的守恒性。

在此基础上，通过非线性有限元分析，确定每个部位的温度分布和热流分布，这样就可以基本实现热流固耦合的模拟计算。

二、建立模型建立模型是Fluent热流固耦合技术的重点之一，模型的建立质量直接影响到计算结果的准确性。

在Fluent中，按照边界条件和物理参数的不同，可以将模型分为三个主要部分：流场模型、温度场模型和结构场模型。

首先，流场模型主要用来描述流体运动的特性，包括流场的流速、压强、浓度等。

其次，温度场模型主要描述被模拟对象的温度变化情况，包括其外部环境的温度、热源的热量分布等。

最后，结构场模型主要用于处理固体结构的升温和变形等问题。

建立完整有效的模型后，就可以通过Fluent热流固耦合技术进行计算求解。

三、计算求解在进行计算求解时，首先需要将所建立的模型导入Fluent中，并设置与之相对应的边界条件和物理参数等。

其次，根据所需求解的问题，选择合适的求解方式，如数值分析法、有限元法等，然后进行计算。

在计算过程中，需要根据实际情况和需要设定合适的收敛精度、求解步长等，以确保计算结果的准确性。

最后得到的计算结果，可以通过可视化方法展示出来，如温度分布图、流速分布图等，从而得到所需的仿真数据。

总之，Fluent热流固耦合技术具有广泛的应用前景，包括汽车工程、航空航天、电子电器、能源领域等。