FLUENT流-固-热耦合分析

ANSYS FLUENT软件自V2019版本起，新增了Structure结构求解功能，能够基于Fluent软件进行简单模型的结构应力、变形分析，具备线性及非线性结构分析功能。本案例基于ANSYS FLUENT 2020R1进行管道阀门流-固-热三场耦合分析。

1 模型描述

    如图所示尺寸的三维管道模型，管道模型中存在4个简化的阀瓣模型，给定管道入口气体流速为10m/s，阀板内给定体积热源为2000000w/m^3；

阀瓣模型材料参数：

密度：2700kg/m^3；

比热：871J/kg.K；

热传导系数：202W/m^2.K；

杨氏模量：2.5E7Pa；

泊松比：0.37；

2 网格划分

本案例网格基于ANSYS ICEM CFD进行全六面体网格划分，网格如下图所示：

流体区域：480000六面体网格；

固体区域：3800六面体网格。

3 FLUENT求解设置

求解计算分两步完成，首先不考虑结构变形对流体-固体进行稳态共轭传热分析，然后基于上一步仿真计算结果考虑流固耦合作用实现瞬态流-固-热耦合仿真分析。

3.1流固共轭传热仿真

Ø  启动FLUENT软件，利用菜单File>>Read case….打开文件对话框，读入网格文件vavle_test.msh；新版本显式界面如下：

Ø  新版本的FLUENT软件默认选择k-w sst湍流模型，本案例不做修改；

Ø  激活能量方程

Ø  边界条件设置

1）固体区域热源：2000000W/m^3；选择对应的固体区域，勾选source terms加载能量源项。

2）入口边界：流速10m/s，温度300K，水力直径0.15m；  

3）出口边界：出口压力0Pa，回流温度300K，水力直径0.15m；

Ø  求解计算

保持默认设置，计算迭代200步。

Ø  计算结果

速度分布

温度分布

3.2 流-固-热耦合仿真

Ø  基于流固共轭传热仿真计算结果，修改计算模型求解格式为Transient；

Ø  打开models，选择structure模型，勾选Linear Elasticity模型

Ø  边界条件设置

1）固体区域固定壁面：给定壁面节点0位移边界；

2）流固交界面（固体壁面）：给定流固耦合边界，自动传递流体压力载荷；  

Ø  动网格设置：将结构变形自动加载给流体，采用smoothing动网格类型，自动选择Linear Elastic Solid方法；

Ø   对流固耦合面，流体侧设定为运动边界，运动类型选择Intrinsic FSI；其他区域为固定区域无需设置。

Ø  求解设置，给定时间步长，时间步，进行求解。

4 计算结果

1）  固体区域最大位移随时间变化曲线：

2）  截面流场随时间变化情况；

3）  阀瓣变形随时间变化情况。

5 其他说明

1）  FLUENT Structure不支持多面体网格；

2）  FLUENT structure不支持workbench运行。

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