目前,随着对产品的要求越来越多,单场载荷作用的响应,已经不能满足工程需求,所以多场耦合计算是必不可缺的,基于ANSYS Workbench可以实现结构场,流场,温度场,电场和磁场的耦合,具备解决复杂多场耦合的计算问题能力。本文主要探讨基于ANSYS Workbench平台的流-热-固多场耦合的算法。
完全耦合算法,也称为直接耦合算法。主要使用耦合场单元求解热-固的耦合计算,该算法的基本思想是在一个单元节点上拥有三个方向节点变形+一个温度自由度,共四个自由度,即{UX UY UZ T},该方法主要解决热-固强耦合的问题,例如摩擦生热计算,塑性变形生热,粘性生热计算,这些问题中结构的变形与自身的温度场之间是相互的影响的。如图给出了SOLID226单元的示意图,该单元的基本形状为六面体,当然还有三种退化单元形状,建议在计算中避免使用退化形状,因为退化单元会降低求解精度。
图1 SOLID226单元示意图
图2 基于耦合场单元的求解模块
如图2所示,给出了热-固直接耦合的求解模块,图2中两个模块分别可以进行稳态和瞬态的热-固直接耦合计算。
迭代耦合,主要通过两个不同的求解器完成不同场的变量求解,然后通过一个数据映射模块,再考虑场之间耦合的一种方法。该方法适用于流-固耦合计算,流-热耦合计算。该种方法,流体的求解主要通过Fluent完成,结构的求解可以使用结构模块或结构热模块,由用户的需求确定。场之间的数据交换模块称为系统耦合器,如图3所示。
图3 基于系统耦合器的迭代耦合计算
图4和5分别给出了基于系统耦合器的流固和流热耦合计算分析系统。流固耦合计算中,主要通过系统耦合器交换流体压力与结构变形数据,流热耦合计算中,主要基于对流换热计算公式进行数据交换。
图4 基于系统耦合器的流固耦合计算
图5 基于系统耦合器的流热耦合计算
如图6所示,给出了迭代计算过程中场之间的数据映射无误差曲线,默认的数据映射残差为1%。
图6 迭代计算过程中场之间的数据映射误差曲线
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