1、管 道 的 热 固 耦 合 计 算 及 管 道 热 应 力 分 析 （ 简 单 介 绍 ， 仅 供 参 考 所 做 案 例 并 无 实 际 意 义 ） 一 、 案 例 简 介 如 图 1 所 示 的 管 道 ， 水 平 管 道 长 度 为 1 5 0 m m ， 直 径 为 2 4 m m ， 竖 直 管 道 直 径 为 1 6 m m ， 高 度 为 5 0 m m ， 分 别 距 离 左 端 面 4 5 m m 和 9 5 m m ， 整 体 管 道 壁 厚 为 2 m m 。 2 0 的 低 温 水 从 左 端 的 入 口 流 入 ， 流 速 为 1 m / s ， 5 0 的 液 态
2、水 和 8 0 的 液 态 水 分 别 从 竖 直 的 管 道 流 入 ， 流 速 均 为 0 . 5 m / s ， 冷 热 水 流 混 合 后 从 右 端 流 出 ， 周 围 的 环 境 温 度 为 2 0 。 二 、 设 计 思 路 几 何 模 型 建 立 流 体 域 网 格 划 分 F l u e n t 计 算 温 度 加 载 稳 态 热 分 析 温 度 加 载 热 应 力 分 析 三 、 模 型 建 立 在 w o r k b e n c h 的 工 具 箱 中 拖 拽 F l u i d F l o w （ F l u e n t ） 、 S t e a d y - S t a
3、t e T h e r m a l 和 S t a t i c S t r u c t u r a l 模 块 进 入 工 作 界 面 中 ， 数 据 传 送 关 系 如 图 2 所 示 。 图 1 管 道 结 构 示 意 图 图 2 数 据 传 送 关 系在 S o l i d W o r k s 中 建 立 相 应 模 型 ， 并 转 化 成 a n s y s 适 用 的 x _ t 格 式 。 双 击 A 2 打 开 D e s i g n M o d e l e r ， 导 入 相 应 模 型 。 选 择 T o o l s 工 具 栏 下 的 F i l l 命 令 ， 选 定 管
4、 道 内 壁 的 三 个 面 ， 单 击 D e t a i l s V i e w 面 板 中 的 A p p l y 按 钮 ， 之 后 单 击 G e n e r a t e 按 钮 ， 生 成 相 应 的 流 体 域 ， 并 将 流 体 域 命 名 为 F l u i d 。 在 流 体 域 F l u i d 中 分 别 定 义 冷 流 入 口 端 面 ， 热 流 入 口 端 面 1 ， 热 流 入 口 端 面 为 2 为 c o l d i n l e t ， h o t i n l e t o n e 和 h o t i n l e t t w o ， 定 义 出 口 端 面 为
5、 o u t l e t 。 选 定 所 有 外 部 壁 面 定 义 为 w a l l 。 最 后 定 义 耦 合 面 ， 定 义 流 固 交 界 面 流 体 一 侧 的 三 个 面 为 i n t e r f a c e f 2 s ， 定 义 流 固 交 界 面 固 体 一 侧 的 三 个 面 为 i n t e r f a c e s 2 f ， 面 的 选 取 如 图 5 所 示 。 图 3 模 型 分 别 在 S o l i d W o r k s 中 和 在 D e s i g n M o d e l e r 中 显 示 图 3 f i l l 命 令 选 取 内 部 面 图 4
6、 入 口 出 口 命 名 图 5 流 体 域 和 固 体 域 边 界 图 示四 、 网 格 划 分 双 击 A 3 打 开 M e s h i n g 模 块 ， 网 格 划 分 主 要 有 三 部 分 ， 选 定 固 体 域 定 义 网 格 方 法 为 A u t o m a t i c M e t h o d ， 选 定 流 体 域 定 义 网 格 方 法 同 样 为 A u t o m a t i c M e t h o d ， 最 后 ， 在 流 体 域 中 选 择 与 固 体 域 相 交 的 三 个 面 定 义 膨 胀 层 I n f l a t i o n 。 为 了 使 网 格
7、更 合 适 质 量 更 好 ， 在 d e t a i l o f m e s h 面 板 中 定 义 相 应 参 数 ， 其 中 定 义 R e l e v a n c e 为 1 0 0 ， R e l e v a n c e C e n t e r 为 f i n e ， S m o o t h i n g 为 H i g h ， S p a n A n g l e C e n t e r 为 F i n e ， 其 余 选 项 均 保 持 默 认 即 可 。 单 击 G e n e r a t e M e s h 生 成 网 格 ， 得 到 节 点 数 为 6 4 6 2 8 ， 网
8、格 数 量 为 1 9 0 8 5 7 。 观 察 网 格 质 量 ， 网 格 质 量 总 体 均 在 0 . 5 以 上 ， 基 本 可 以 认 为 网 格 质 量 良 好 。 五 、fluent 计 算 双 击 A 4 ， 打 开 F l u e n t ， 保 持 默 认 设 置 ， 按 照 流 程 树 逐 项 进 行 设 置 ， 首 先 在 g e n e r a l 面 板 中 ， 单 击 S c a l e ， 设 置 视 图 中 的 单 位 为 m m ， 紧 接 着 单 击 c h e c k ， 检 查 网 格 ， 确 定 网 格 没 有 负 体 积 ， 至 此 ， 网 格
9、基 本 可 以 认 为 没 有 问 题 ， 按 照 视 图 中 方 为 设 置 重 力 方 向 为 Y 轴 负 方 向 。 其 他 选 项 保 持 默 认 。 单 击 m o d e l s 面 板 ， 打 开 能 量 方 程 ， 并 选 用 标 准 的 k - e p i s i l o n ( 2 e q n ) V i s c o u s 模 型 。 单 击 m a t e r i a l s 面 板 ， 加 载 液 体 材 料 为 w a t e r - l i q u i d ， 加 载 固 体 材 料 为 S t e e l 。 单 击 C e l l Z o n e C o n
10、d i t i o n s 面 板 ， 给 流 体 域 施 加 w a t e r - l i q u i d 材 料 ， 给 固 体 域 施 加 S t e e l 材 料 。 单 击 B o u n d a r y C o n d i t i o n s 面 板 ， 添 加 边 界 条 件 ， c o l d i n l e t 为 冷 流 入 口 ， 水 流 速 度 为 1 m / s ， 水 流 温 度 为 2 0 ， 湍 流 强 度 5 % ， 水 力 直 径 2 0 m m ； h o t i n l e t o n e 为 热 流 入 口 1 ， 水 流 速 度 为 0 . 5
11、m / s ， 水 流 温 度 为 5 0 ， 湍 流 强 度 为 5 % ， 水 力 直 径 为 1 6 m m ； h o t i n l e t t w o 为 热 流 入 口 2 ， 水 流 速 度 为 0 . 5 m / s ， 水 流 温 度 为 8 0 ， 湍 流 强 度 为 5 % ， 水 力 直 径 为 1 6 m m ； w a l l 的 温 度 为 环 境 温 度 2 0 ； o u t l e t 自 由 处 流 ， 设 置 出 口 压 力 为 0 P a ， 湍 流 强 度 为 1 0 % ， 水 力 直 径 为 2 0 m m 。 单 击 M e s h I n
12、t e r f a c e 面 板 ， 观 察 自 动 生 成 的 耦 合 面 ， 查 看 是 否 有 问 题 。 图 6 网 格 划 分 设 置 图 7 网 格 质 量 图 5 划 分 的 网 格考 虑 到 本 次 案 例 模 型 简 单 ， 边 界 条 件 也 不 复 杂 ， 所 以 S o l u t i o n M e t h o d s ， S o l u t i o n C o n t r o l s 采 用 默 认 设 置 即 可 。 单 击 M o n i t o r 面 板 双 击 R e s i d u a l s 设 置 计 算 的 残 差 为 1 e - 5 。 单 击
13、 S o l u t i o n I n i t i a l i z a t i o n 选 择 S t a n d a r d I n i t i a l i z a t i o n ， C o m p u t e f r o m a l l - z o n e s ， 单 击 I n i t i a l i z e 完 成 初 始 化 。 单 击 R u n C a l c u l a t i o n 面 板 设 置 迭 代 步 数 为 5 0 0 ， 单 击 C a l c u l a t e 进 行 计 算 。 图 1 2 和 图 1 3 仅 显 示 了 冷 流 入 口 的 设 置 ，
14、 其 余 的 入 口 和 出 口 以 及 避 免 的 设 置 与 图 1 2 和 图 1 3 的 设 置 方 法 相 同 ， 不 在 作 图 展 示 。 图 8 单 位 设 置 图 9 g e n e r a l 面 板 设 置 图 1 0 模 型 面 板 设 置 图 1 1 材 料 面 板 设 置 图 1 2 冷 流 入 口 流 速 和 强 度 设 置 图 1 3 冷 流 入 口 温 度 设 置图 1 4 自 动 生 成 的 接 触 面 图 1 5 初 始 化 设 置 图 1 6 计 算 设 置 图 1 7 残 差 设 置 图 1 8 迭 代 曲 线单 击 G r a p h i c s 面
15、 板 ， 选 中 C o n t o u r s 后 单 击 S e t U p ， 为 便 于 观 察 ， 单 击 N e w S u r f a c e 下 的 P l a n e 新 建 一 个 平 面 ， 根 据 本 次 案 例 的 情 况 ， 需 选 用 Y Z 平 面 来 进 行 观 察 ， 平 面 设 置 如 图 1 9 所 示 。 平 面 设 置 完 成 后 ， 观 察 所 选 用 平 面 上 的 压 力 速 度 和 温 度 云 图 。 六 、 稳 态 热 分 析 完 成 流 体 计 算 之 后 ， 单 击 B 4 进 入 稳 态 热 分 析 模 块 ， 将 流 体 区 域 抑
16、 制 ， 并 将 固 体 区 域 生 成 网 格 ， 生 成 方 法 与 之 前 类 似 。 之 后 右 键 单 击 I m p o r t e d L o a d I n s e r t T e m p e r a t u r e 将 流 体 计 算 的 温 度 场 导 入 ， 在 固 体 域 温 度 的 接 受 面 为 固 体 的 内 表 面 ， 之 前 已 经 进 行 定 义 ， 直 接 选 用 即 可 ， C f d s u r f a c e 选 用 计 算 的 流 固 界 面 温 度 。 右 键 单 击 I m p o r t e d L o a d ， 单 击 右 键 菜 单 的
17、 I m p o r t e d L o a d 导 入 温 度 。 右 键 单 击 S t e a d y - S t a t e T h e r m a l 插 入 边 界 条 件 ， 设 置 外 壁 面 的 对 流 换 热 系 数 为 1 0 W / m 2 ， 环 境 温 度 为 2 0 。 设 置 三 个 入 口 的 端 面 温 度 与 入 口 流 体 温 度 一 致 。 在 s o l u t i o n 中 插 入 温 度 和 总 的 热 流 量 。 单 击 s o l v e 进 行 求 解 。 七 、 变 形 及 热 应 力 分 析 双 击 C 5 进 入 静 态 结 构 计
18、 算 模 块 右 键 单 击 I m p o r t e d L o a d 打 开 右 键 菜 单 后 单 击 I m p o r t e d L o a d 导 入 固 体 域 的 温 度 。 右 键 单 击 S t a t i c S t r u c t u r a l I n s e r t F i x e d S u p p o r t 给 三 个 入 口 端 面 图 1 9 中 间 平 面 设 置 图 2 0 速 度 云 图 图 2 1 压 力 云 图 图 2 2 温 度 云 图 图 2 3 流 场 温 度 导 入 图 2 4 稳 态 热 力 学 计 算 结 果施 加 固 定 约 束 。 完 成 边 界 条 件 的 加 载 。 右 键 单 击 S o l u t i o n 插 入 总 变 形 和 应 力 。 单 击 s o l v e 进 行 求 解 。 图 2 5 结 构 静 力 学 计 算 中 导 入 温 度 图 2 6 温 度 对 管 道 造 成 的 应 力 图 2 7 温 度 导 致 管 道 的 变 形
