流-热-固多场耦合计算在ANSYS Workbench中的实现

目前，ANSYS版本已经更新到了2020R2，多场耦合计算功能，更加完善，操作使用更加方便，对于多场耦合根据耦合方式可以分为：

• （1）单向耦合。A场对B场有影响，而B场对A场没有影响，常见的问题就是热应力计算，一般的热应力计算中，只考虑温度对结构的影响，而忽律结构变形对温度场的影响；
• （2）双向耦合。A场对B场有影响，而B场对A场也有影响，例如气动颤振问题，流场对结构的变形有影响，反过来结构变形也会影响流场。

耦合计算的方法主要包括，直接耦合法和迭代耦合法。

• （1）直接耦合法，就是计算单元具备多场的自由度，可以在一个单元矩阵中完成耦合求解，常用的单元是SOLID226，该单元可以完成热-结构，热-电-结构的直接耦合计算。
• （2）迭代耦合法，就是不同场的量，分别在不同的软件环境中完成求解，然后进行数据交换，接着再进行独立计算，重复以上过程，当场之间的数据交换稳定时，终止数据交换，完成一次耦合计算，常见的就是流-固耦合计算问题。
• 1. 流-热耦合计算

      流热耦合计算，主要研究流体与结构之间的换热问题。用户可以使用Fluent模块或Fluent+结构热模块+系统耦合器完成计算，基于ANSYS Workbench平台可以完成单向和双向流热耦合计算。

   图 干燥器的截面温度云图
 

• 2. 流-固耦合计算

流-固耦合主要研究流体流动导致结构变形，而结构变形可能会影响流体流动。基于ANSYS Workbench可以实现单向和双向流固耦合，而且可以处理结构发生大变形的双向流固耦合计算，流固耦合计算的典型应用包括，机翼颤振，管道振动，导线覆冰振动，含流体容器晃动，结构跌落入水冲击，柔性结构扰流振动等。

   图 机翼颤振过程的截面速度与机翼应力云图
 

• 3. 热-固耦合计算

热固耦合计算，主要研究结构与温度场的相互作用。常见的热固耦合计算，就是结构的热应力，为单向耦合，此外用户也可以考虑双向的摩擦生热计算。摩擦生热双向热固耦合，采用耦合场单元进行解算，该单元同时具备了结构和热自由度，在一个单元矩阵里完成耦合计算，计算稳定，而且解决了温降的问题。

   图 简化制动器摩擦生热计算
 

• 4. 流-热-固耦合计算

      流-热-固耦合计算，主要研究涉及到流动，换热与结构变形同时考虑的情况，按照各场耦合的情况，可以分为流-热双向耦合+结构单向耦合和完全流-热-固耦合，目前，基于ANSYS Workbench可以实现完全的流-热-固双向耦合计算，但是该计算需要插入APDL命令。

   图 芯片与基板的温度云图
 

   图 芯片与基板的等效应力云图

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