一、问题描述
如【图1】 所示为一个几何模型,线圈通有频率为 2500Hz 大小为 500A 的电流(如图1中剪头方向所示),在线圈的中心部位放置有一块材质为普通钢的钢块,钢块下方 500mm处有有一通风口,风速为 20m/s,温度为 300K,钢块上方 500mm 处设置为自由出流。试分析钢块在上述工况下的温度场分布情况、风的流线图及风的温度分布云图。
二、软件启动与保存
Step1:启动 Workbench。如【图2】 所示,在 Windows XP 下单击“开始”→“所有程序”→ANSYS14.0→Workbench 14.0 命令,即可进入 Workbench 主界面。
Step2:保存工程文档。进入 Workbench 后,单击工具栏中的 按钮,将文件保存为“MagtoThemtoFluid”,单击 Getting Started 窗口右上角的(关闭)按钮将其关闭。
注意:本节算例需要用到 ANSOFT Maxwell14.0 软件,请读者进行安装;
由于 ANSOFT Maxwell 软件不支持保存路径中存在中文名,故在进行文档保存时,保存的路径不不能含有中文字符,否则会发生错误。
三、导入几何数据文件
Step1:创建几何生成器。如【图3】所示,在 Workbench 左侧 Toolbox(工具箱)的Analysis Systems 中单击 Maxwell 3D 并按住左键不放将其拖到右侧的 Project Schematic 窗口中,此时即可创建一个如同EXCEL 表格的项目 A。
Step2:双击 A2(Geometry)进入如 【图4】 所示的电磁分析环境,此时启动了 Maxwell 3D 软件。
Step3: 依次选择菜单 Modeler → Import ,在出现的 Import File 对 话 框 中 选 择ThermaltoFluid.x_t 几何文件,并单击打开按钮。
Step4:此时模型文件已经成功显示在 Maxwell 软件中,如【图5】所示,同时弹出Modal Analysis 对话框,在对话框左侧的栏中显示的几何图形为 Good 表示数据读取无误,单击 Close 按钮。
Step5:选中图中的外面的立方体几何,如【图6】 所示,然后进行如下操作:
选中外面的立方体,使其处于加亮状态;
单击 Properties 栏中的 Transparent 后面的按钮;
在弹出的对话框中将滑块从 0 位置移动到 1 的位置,这是外面的立方体几何将变成透明状态。
四、求解器与求解域的设置
Step1:设置求解器类型。如【图7】所示,选择菜单栏中的 Maxwell 3D→Solution Type…命令。
Step2:在弹出【如图8】所示的 Solution Type 对话框中选择 Eddy Current(涡电流分析),单击 OK 按钮关闭 Solution Type 的对话框。
五、赋予材料属性
Step1:赋予材料属性。在模型树中选择 Box3 模型名,单击右键在弹出的快捷菜单中选
择 Assign Material…命令,如【图9】所示,此时会弹出 Select Definition 对话框。
Step2:在如【图10】 所示的 Select Definition 对话框中选择 Aluminum 材料并单击“确定”按钮,此时模型树中 Box3 的上级菜单由 Not Assigned 变成 Aluminum,求解域默认为真空 Vacuum。
Step3:同样,如【图11】 所示,将 Box4 模型设置为 steel stainless。
Step4:同样,如【图12】所示,将 Box5 模型设置为 Vacuum。
六、添加激励
Step1:创建激励。单击键盘 f 键,然后用鼠标左键选择如【图13】 所示一个端面,单击右键在弹出的快捷菜单中选择 Assigned Excitation→Current 命令。
Step2:此时会弹出如【图14】 所示 Current Excitation 对话框,在该对话框作如下输入:
在 Value 中输入 500;
在后面的单位选项栏中选择 A;
在 Type 栏中选择 Stranded,单击 OK 按钮,完成参数的设置。
Step3:同样,将线圈另外一个端面也设置为 500A 的电流,与上面操作步骤不同之处为:
此处的电流方向设置为子里向外的,如【图15】 所示,此时只需单击 Swap Direction 按钮即
可完成相应的操作
Step4:右键单击 Box4,如【图16】 所示,在弹出的快捷菜单中依次选择 Assign Excitation→Set Eddy Effects„命令,并勾选弹出的对话框中的 Box4 项,设置涡流效应。
Step5:选择 Box4 几何,右键单击 Project Manager→Mesh Operation,在弹出如【图17】
所示快捷菜单中依次选择 Assign→On Selection→Skin Depth Based„,在弹出的对话框中如图下设置:
在 Skin Depth Based Refinement 对话框中单击 Calculate Skin Depth„命令;
在弹出的 Calculate Skin Depth 对话框中的 Frequency 栏中输入 2500,单位选择 Hz,并单击 OK 按钮;
在 Skin Depth Based Refinement 对话框中单击 OK 按钮
Step6:右键单击 Project Manager→Analysis,如【图18】 所示,在弹出的快捷菜单中选择 Add Solution Setup 命令,添加求解器。
Step7:此时弹出如【图19】 所示求解器设置对话框,选择 Solve 选项卡,在选项卡中作如下设置:
在 Adaptive Frequency 栏中输入 2500,设置频率为 2500Hz;
勾选 Use higher order shape function 选项,选择高级形函数;
其余保持默认,单击确定按钮。
七、模型检查与计算
通过上面的操作步骤,有限元分析的前处理工作全部结束,为了保证求解能顺利完成计算,需要先检查一下前处理的所有操作是否正确。
Step1:模型检查。单击工具栏上的 按钮出现如【图20】 所示的 Validation Check对话框,绿色对号说明前面的基本操作步骤没有问题。
注意:如果出现了 ,说明前处理过程中某些步骤有问题,请根据右侧的提示信息进行检查。
Step2:求解计算。右键单击 Project Manager 中的 Analysis→Setup1 命令,在弹出快
捷菜单中选择如【图 21】 所示的 Analyze 命令,进行求解计算,求解需要一定的时间。
八、后处理
Step1:显示磁场分布云图。求解完成后,选中几何模型树中的 Planes→Global:XZ 平面,单击右键在弹出如【图22】 所示的快捷菜单中选择 Field→H→Mag_H 命令,此时将弹出 Create Field Plot 对话框。
Step2:在弹出如【图23】 所示的 Create Field Plot 对话框中的 Quantity 中选择 Mag_H,
在 In Volume 中选择 AllObject。并单击 Done 按钮如【图24】 所示。
Step3:同理操作如【图25】 所示为磁场矢量图。
图25:磁场矢量图
Step4:钢块的涡电流密度分布云图如【图26】 所示。
Step5: 钢块损耗分布。 选 中 Box4 , 单 击 右 键 在 弹出 的 快 捷 菜 单 中 依次 选 择Field→Other→Ohmic-Loss 命令,如【图 27】 所示为 Box4 的损耗分布。
Step6:选择 Maxwell 3D→Fields→Calculator„,在弹出如【图 28】所示计算器中作如下操作:
单击 Quantity 按钮,在下拉列表中选择 Ohmic Loss 选项;
单击 Geometry„按钮,在弹出的 Geometry 对话框中点选 Volume,然后选择 Box4 项,并单击 OK 按钮;
单击∫按钮,最后单击 Eval 按钮进行计算,计算得到的损耗值为 221.7w。
Step7:关闭 Maxwell 平台。
九、创建流体力学分析和数据共享
Step1:回到 Workbench 窗口中,在如【图29】 所示的表格 A4(Solution)上单击右键,
在弹出的快捷菜单中选择 Transfer Data To New→Fluid Flow (FLUENT)命令,此时会在 A 表的右侧出现一个 B 表,同时出现 A4 与 B4 连接曲线,这说明 A4 的结果数据可以作为 B4 的外载荷使用。
Step2:几何模型数据读入。单击 A2(Geometry)直接拖拽到 B2(Geometry)栏中如【图30】 所示。
十、9DM 中几何数据文件
Step1:双击项目 B 中的 B2(Geometry)进入如【图31】 所示的流体分析环境,此时启动了 DM 软件。选择 mm 单位,并单击 OK 按钮。
Step2:在 DesignModeler 平台的工具栏中单击 按钮生成几何文件。
Step3:此时模型文件已经成功显示在 DM 软件中,如【图32】 所示,。
Step4:抑制几何。单击 Box3 和 Box5 两个文件名,单击右键,在弹出的如【图33】所示的快捷菜单中选择 Suppress Body 命令。
Step5:创建流体域。单击工具栏中的 Tools→Enclosure 命令,在弹出的如【图34】 所示的面板中作如下操作:
在 Shape 栏中选择 Cylinder 选项,设置区域类型为圆柱;
在 Cylinder Alignment 栏中选择 Z-Axis 选项,设置圆柱方向为沿着 Z 轴;
在 FD1,Cushion„栏中输入 50;
在 FD2,Cushion„栏中输入 500;
在 FD3,Cushion„栏中输入 500;
在 Target Bodies 栏中选择 Selected Bodies 选项;
在 Bodies 栏中选择实体,此时 Bodies 栏中显示 1,表示一个实体被选中,其余默认即
可,并单击工具栏中 按钮完成流体域的创建,如【图35】所示。
Step6:平面命名 inlet。选择几何实体的左侧(Z 坐标最小处)面,单击右键,在弹出的如【图36】所示快捷菜单中选择 Named Selection 命令:
在出现的 Details View 面板中的 Named Selection 栏中输入 inlet;
在 Geometry 栏中单击 Apply 按钮,此时 Geometry 栏中出现 1Face 字样,表示一个面被选中;
其余保持默认,单击工具栏中的 按钮确定平面命名
Step7:平面命名 outlet。选择几何实体的左侧(Z 坐标最大处)面,单击右键,在弹出的如【图37】 所示快捷菜单中选择 Named Selection 命令:
在出现的 Details View 面板中的 Named Selection 栏中输入 outlet;
在 Geometry 栏中单击 Apply 按钮,此时 Geometry 栏中出现 1Face 字样,表示一个面被选中;
其余保持默认,单击工具栏中的 按钮确定平面命名
Step8:平面命名 outwall。选择流固几何交界面的流体三个侧面,单击右键,在弹出的如【图38】所示快捷菜单中选择 Named Selection 命令:
在出现的 Details View 面板中的 Named Selection 栏中输入 outwall;
在 Geometry 栏中单击 Apply 按钮,此时 Geometry 栏中出现 1Face 字样,表示一个面被选中;
其余保持默认,单击工具栏中的 按钮确定平面命名。
Step9:关闭 DesignModeler 平台。
十一、传递数据
Step1:传递数据。右键 Workbench 平台中项目 A 中的 A4(Solution),在弹出如【图39】所示快捷菜单中选择 Update 命令,更新数据。
十二、网格设置
Step1:双击项目 B 中的 B3(Mesh)选项,此时弹出如【图40】 所示的网格剖分平台。
Step2:右键单击 Mesh 命名,在弹出的如【图41】所示快捷菜单,在菜单中依次选择
Insert→Sizing 命令,此时会出现“Details of‘Edge Sizing’”面板,在面板中可以进行网格尺寸设置。
Step3:在如【图42】所示的“Details of‘Edge Sizing’”面板作如下操作:
在 Geometry 栏中确保圆柱体两个圆边被选中,此时 Geometry 栏中显示 2Edges,表示供选择了 2 条边;
在 Type 栏中选择 Number of Division 选项;
在 Number of Division 栏中输入 100,将网格划分成 100 份;
其余保持默认。
Step4:在如【图43】所示的“Details of‘Edge Sizing 2’”面板作如下操作:
在 Geometry 栏中确保钢块和流体域中与钢块重合的所有边被选中,此时 Geometry 栏中显示 24Edges,表示供选择了 24 条边;
注:可以使用框选命令,具体使用方法请参考第二章节相关内容。
在 Type 栏中选择 Number of Division 选项;
在 Number of Division 栏中输入 10,将网格划分成 10 份;
其余保持默认。
Step5:右键单击 Mesh 命令,弹出的如【图44】所示的快捷菜单中依次选择 Insert→Inflation 命令。
Step6:在 Geometry 栏中选择流体几何,在 Boundary 栏中选择流体外表面如【图 45】所示。
Step7:右键并单击工具栏中的 生成网格如【图46】所示。
Step8:网格设置完成后,关闭 Mechanical 网格划分平台,回到 Workbench 平台。
Step9:在 Workbench 平台中右键单击项目 A 中的 A3(Mesh)命令,在弹出的如【图 47】9所示的快捷菜单中选择 Update 命令,更新网格划分数据。
十三、进入 Fluent 平台
Step1:Fluent 前处理操作。双击项目 A 中的 A4(Setup)命令,此时弹出如【图48】所示的 Fluent 启动设置对话框,保持对话框中的所有设置为默认即可,单击 OK 按钮。
Step2:此时出现如【图49】所示 Fluent 设置界面。
Step3:单击命令树中的 General 命令,在操作面板中单击 Check 按钮,检查最小体积是否出现负数。
Step4:选择 Models 命令,在 Models 面板中双击 Viscous 命令,在弹出如【图50】 所示 Viscous Models 对话框中选择 K-epsilon(2eqn)命令,其余保持默认,并单击 OK 按钮确认模型选择。
Step5:选择 Models 命令,在 Models 面板中双击 Energy 命令,在弹出如【图51】 所示Energy 对话框中勾选 Energy Equation 选项,并单击 OK 按钮确认选择
十四、材料选择
Step1:材料库。单击命令树中的 Materials 命令,然后在 Materials 面板选择 Solid,在单击 Create/Edit„按钮,在弹出如【图52】所示的 Create/Edit Materials 对话框选择右侧的FLUENT Database„按钮,在弹出的 FLUENT Database Materials 对话框中的 Material Type 栏中选择 Solid 选项,然后在左侧的 FLUENT Solid Materials 栏中选择 steel 选项并单击 Copy 按钮。
十五、设置几何属性
Step1:设置几何属性。选择命令树中的 Cell Zone Conditions 命令,在 Cell Zone Conditions面板中的 Zone 栏中选择 box4 几何名,然后将 Type 设置为 Solid,如【图53】 所示。
Step2:在弹出如【图54】所示的 Solid 对话框中作如下操作:
在 Materials 栏中选择 steel,设置实体为 steel;勾选 Source Terms 选项设置源;单击 Edit„按钮,在弹出的 Energy sources 对话框中的 Number of 输入 Energy sources栏中输入 1,表示设置为 1 个热源,并单击 OK 按钮。
Step3:在弹出如【图 55】所示,设置 Solid 几何体为 fluid,材料为 air,其余默认即可。
十六、流体边界条件
Step1:单击命令树中的 Boundary 命令,在 Boundary Condition 面板的 Zone 中选择 inlet选项,在 Type 栏中选择 velocity-inlet 选项。
Step2:设置入口速度。在弹出的如【图56】 所示的 velocity-inlet 对话框中作如下设置:在 velocity Magnitude(m/s)栏中输入入口流速为 20m/s;其余保持默认并单击 OK 按钮。
Step4:单击命令树中的 Boundary 命令,在 Boundary Condition 面板的 Zone 中选择 wall-6选项,在 Type 栏中选择 wall 选项,在弹出的 Thermal 选项卡中的 Material Name 栏中选择steel 并单击 OK 按钮,如【图58】 所示。
Step5:导入热源。如【图 59】所示,单击 File 菜单中的 EM Mapping→Volumetric EnergySource„命令。
Step6:在弹出的如【图60】所示的 Maxwell Mapping 对话框中单击 OK 按钮。
Step7:经过一段时间的处理,在 Fluent 的 TUI 窗口中出现如【图61】 所示的损耗数据,数据显示总损耗为 221.7w,此数据与之前 Maxwell 中计算的得到的数据一致。
十七、求解器设置
Step1:选择命令树中的 Solution Initialization 命令,在如【图62】所示的操作面板中作
如下操作:
在 Initialization Methods 栏中选择 Standard Initialization 选项;
在 Compute from 栏中选择 inlet 选项,其余默认即可,并单击 Initialize 按钮。
Step2:选择命令树中的 Run Solution 命令,在如【图 63】 所示的操作面板中作如下操作:
在 Number of Iteratioins 栏中输入 200,其余保存默认即可,单击 Calculate 按钮。
tep3:如【图64】(a)所示为 Fluent 正在计算过程。
Step4:求解完成后会出现如【图 64】(b)所示的对话框,单击 OK 确认。
Step5:后处理操作。选择命令树中的 Results→Graphics and Animations,如【图65】所示,在 Graphics and Animations 面板中的双击 Contours 选项。
Step6:在弹出的如【图66】所示的 Contours 对话框中作如下操作:
在 Contours of 栏中选择 Velocity„;
在 Surfaces 栏中单击 按钮,选择所有边界;
其余保持默认即可并单击 Display 按钮。
Step7:如【图67】 所示为流速分布云图
Step8:如【图68】 所示为流速矢量云图。
Step9:如【图69】所示为温度分布云图。
Step10:关闭 Fluent 平台。
十八、CFD—Post 后处理操作
Step1:如【图70】 所示为 CFD-Post 专业后处理器平台。
Step1:在工具栏中单击 Location→Plane 命令,如【图 71】所示,保持平面名称默认,创建平面。
Step2:在出现的如【图72】 所示的 Details of Plane1 面板中作如下设置:在 Method 栏中选择 ZX Plane;在 Y 栏中输入 0.0[m],其余保持默认并单击 Apply 按钮。
Step3:此时创建如【图73】所示的平面,在此平面中可以显示流场温度场分布等的后处理。
Step4:单击工具栏中的 按钮,在弹出的对话框中保持默认,单击 OK。
Step5:在如【图74】所示的 Details of Contour1 面板中作如下设置:
在 Locations 栏中选择刚刚建立的 Plane 1;
在 Variable 栏中选择 Temperature 选项;
在# of Contours 栏中输入 110,其余默认并单击 Apply 按钮。
Step6:如【图75】所示为共轭传热的实体与流场温度分布云图,从图中可以看热流耦合的温度分布情况。
Step7:单击工具栏中的 按钮,在弹出的对话框中保持默认,单击 OK。
Step8:在如【图 76】所示的 Details of Streamline1 面板中作如下设置:
在 Start From 栏中选择刚刚建立的 Plane 1;
在# of Points 栏中输入 100,其余默认并单击 Apply 按钮。
Step9:如【图77】所示为流速分布云图。
Step10:关闭 CFD-Post 平台。
Step11:返回到 Workbench 窗口,单击 按钮保存文件,然后单击 按钮退出。
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