1、2014/12/13 1Image courtesy of National Optical Astronomy Observatory, operated by the Association of Universities for Research in Astronomy, under cooperative agreement with the National Science Foundation.SolidWorks flow simulation 使用简介及流体力学热力学基础QQ:956162332014/12/13 2目 录 01 SW flow simulation使用简介
2、02 应用实例介绍 03 流体力学及传热学基本知识回顾2014/12/13 3SW flow simulation 使用简介 计算流体动力学 计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。 基本思想：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场（速度场、压力场等），用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解方程组获得场变量的近似值。CFD可以看做是在流动基本方程（质量、动量、能量守恒方程）控制下对
3、流动的数值模拟，通过模拟，可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（速度、压力、温度、浓度等）的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，与CAD联合，还可进行结构优化设计等。2014/12/13 4SW flow simulation 使用简介建立控制方程建立初始条件及边界条件划分网格，生成计算节点建立离散方程离散初始条件和边界条件给定求解控制参数求解离散方程解收敛否显示和输出计算结果是 否 CFD的求解过程 无论流动、传热、稳态、瞬态问题，求解过程都可用左图表示。 控制方程参见第*页。初始条件与边界条件是控制方程有确定解的前提，控制方程与相应的初始条件、边界条件的组和构成对一个物理过
4、程完整的数学描述。 初始与边界条件的处理，直接影响计算结果的精度和时间。 CFD软件中，往往在前处理阶段完成网格划分后，直接在边界上制定初始条件和边界条件，然后由前处理软件自动将这些条件按离散的方式分配到相应的节点上去。 参数的设置对求解的精度和效率有重要影响。 正确理解所要解决的问题，给定合适的条件和目标，有助于较快的得到收敛解。 云图、轮廓图、矢量图、流线、粒子轨迹2014/12/13 51982 SRAC 创立 1985 SRAC推出COSMOS/M 第一款用于 PC 的 FEA 软件 1993 Solidworks创立 2008SW2009版本COSMOS更名SimulationSW
5、flow simulation 使用简介1997 SW被达索收购（ Structural Research and Analysis Corporation）2001 SW卖出16万份SRAC成为SW第一个合作伙伴SW推出第一版SW19951995 2005发布SW&Premium 2014 SW simulation发展历程，并扩展细分为motion（运动及动力学分析）、simulation（结构分析）、flow simulation（流体分析）、plastic（塑料注塑分析）等等2014/12/13 6SW flow simulation 使用简介SW flow simulation 设计
6、更好的产品内部和外部流体热现象：传导 对流 辐射非牛顿流体优化设计-参数分析 旋转区域：全体or局部电子设备热分析风扇曲线CFD结果导入CAE多组分气体SW flow simulation，一款易用但功能强大的CFD仿真软件，包括但不限于上述应用2014/12/13 7 Flow simulation是一款计算流体力学（CFD）软件，采用德国NIKA公司的产品。软件与SolidWorks紧密集成，使得CAD和CFD达到了无缝集成的效果，设计师可以在同一界面下对SW的模型直接进行流体、换热仿真。SW flow simulation 使用简介嵌入SW 自动网格湍流模型边界层收敛解算假设？分析直观界
7、面2014/12/13 8SW flow simulation 使用简介 flow simulation的启动 premium的版本比professional和standard多了很多仿真、运动、设计验证、PDM、线缆等更多的插件。 单击工具插件，弹出左图对话框，选中以激活flow simulation模块。 激活后在菜单栏和主选项卡和左侧的设计管理器中都多出了flow simulation部分。2014/12/13 9SW flow simulation 使用简介 flow simulation使用步骤 1、模型准备2、向导3、输入数据4、结果2014/12/13 10SW flow sim
8、ulation 使用简介1.模型准备 同其他有限元分析一样，做流体仿真第一步也是要修改sw的模型。在不影响精度的前提下，尽量简化模型，压缩零件上的某些特征，压缩装配体里某些零件。“配置”是一个很有用的工具。 SW将流体分析分为内流和外流两种。若是内流，需要确保整个模型是封闭的。这里有两个常用工具。 对于零件和装配体都能创建端盖。模型本身是封闭的话就不用创建端盖。 检查模型可以保证模型适用于流体分析，并且也可以对装配体里的零件进行启用和禁用（用“组件控制“命令也可以）。 基本所有命令在菜单栏、主选项卡、左侧的设计管理器三个地方都能找到。本文档为了便于说明，截图可能在三处任一个地方。 2014/1
9、2/13 11SW flow simulation 使用简介2.使用”向导“创建一个分析项目 ”向导“命令很方便使用，可以一步步设置下图的这些选项。 单位制经常要改的是温度从K改。 分析类型：包括内流外流的指定、固体零件是否传热？、是否瞬态、重力否？、旋转否？（局部or整体） 可以设置默认流体是什么，默认固体是什么（省的每个零件指定材料） 初始条件：温度、压强、速度等 模型精度：大多数情况默认即可 2014/12/13 12SW flow simulation 使用简介3.输入数据 在使用”向导“建立项目后，还需要对项目进行更详细的设置。见右图。简单解释如下。不是每个计算都需要全设。 计算域：
10、即需要计算的区域范围。内流分析会自然生成一个包裹住内流体积的范围。外流分析会自动远离模型一段距离，域的设置要综合考虑计算时间、计算精度等因素。 轴对称、平面对称的问题，可以只取1/2或1/4计算域。 流体子域：有多个空间或同时有外流又有内流的项目需要定义流体子域。比如管道里是水流动，管道外又是空气流动。 组件控制：可禁用某些零部件，用于细化网格或指定目标。 边界条件：在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时间变化的规律。边界条件是使CFD分析有定解的必要条件，任何一个CFD问题都不可能没有边界条件。 常用边界条件包括：流动进口边界，流动出口边界，给定压力边界，壁面边界，对称边界，周期
11、性（循环）边界。 移动边界条件：若用户真正关心的是模型的某个局部区域，同时也考虑这个区域周围的流场。flow simulation可以先对一个大环境进行分析，得出一个整体计算域的结果。然后再对局部区域进行更详细的第二次计算，这里就用到了转移边界条件。2014/12/13 13SW flow simulation 使用简介 风扇：可以在边界产生一个流入或流出的体积流量，而这取决于入口和出口面上的平均压差。风扇曲线，体积或质量流量与压差之间的相关性。风压与风量是相互制约的关系，风压大，风量就小。风压小，风量就大。flow simulation自带了常用散热风扇的风扇曲线，也可以自定义。 提高转速可
12、以增大风压和风量，但是又带来噪音的问题。选型时需要综合考量这三个参数。一般选择风扇曲线与系统阻抗曲线的交汇点作为工作点。 热源：flow simulation可以指定表面热源和体积热源，可以指定传热率甚至辐射率。 多孔介质：可以将某些对流体流动具有一定阻碍作用的物质视为多孔介质，比如汽车尾气的转换器。可以指定孔隙率、阻力等参数。 多孔板：电子设备外壳多是含有很多散热孔的金属板。实体模型中这些细密的散热孔会增大网格数量，增加计算时间。可以指定为多孔板，算是简化模型的一种方法。 初始条件：指定所选区域的流动参数、热动力参数等等。在向导中设置。 2014/12/13 14SW flow simula
13、tion 使用简介 目标：可将目标定义为项目中关注区域的某个物理参数，当获得这个稳定的物理参数时，代表着求解结束，得到了一个收敛的解。 2014/12/13 15SW flow simulation 使用简介 示踪物研究：可以快速模拟载液（如空气）中添加剂流体（如水蒸气或毒气）的浓度热源、表面凝结或蒸发，前提是假定添加剂的存在对于载液流动的影响可以忽略 局部初始网格：细化网格的工具。sw可以自动生成网格，自动生成的有时网格反而太多，庞大的单元数量会超出计算机的计算能力。 2014/12/13 16SW flow simulation 使用简介网格划分： sw根据通过使用整个模型的所有尺寸、计算
14、域及指定了边界条件和目标的面组来计算默认的minimum gap size 和minimum wall thickness。如右图这个算例，0.1524m就是出口的宽度。（选中手动设置，下方会出现数值，可以认为这个数字是系统的默认值，显然需要修改这个数值，系统不足以识别小间隙和薄壁） 当添加了另一个边界条件后，可以看出默认的最小gap size已经变成小圆孔的直径了。总数接近60w个网格。计算机难以计算。 2014/12/13 17SW flow simulation 使用简介网格划分： 接下来，指定最小间隙和最小壁厚尺寸都为0.02m，即20cm。以避免过量的网格划分。结果如右图，约6w个网
15、格。但是左下方关心的区域太疏松。 （指定这两个数字，并不意味着实际结果最小的网格尺寸就是这个数字，似乎和gap size，wall size这两个名字没太大关系？） 取消手动指定数值，初始级别调整为5，划分结果为170w网格；级别4,74w网格。 取消“初始网格”左下角的“自动设置”，初始网格就变成4个选项卡，可以进行更详细的手动设置。具体解释可以点击帮助。把狭长通道选项卡下的细化级别从2调整为1，网格58w。2014/12/13 18SW flow simulation 使用简介网格划分： 使用“局部初始网格”工具，对局部区域进行细化。区域可以用零部件、面、线、点来定义。取消左下角的自动设置
16、，在“细化单元”选项卡选择细化所有网格，级别7。这样可以细化真正感兴趣的区域，且网格数量只略微增加，但局部会比较细密。下图是用“局部初始网格”选择小圆柱面及地面，细化的结果，并切面图显示。现在的问题是网格没有关于中心对称2014/12/13 19SW flow simulation 使用简介网格划分： 解决中心对称问题：在“初始网格”对话框中的“基本网格”选项卡下添加平面，此处只添加了一个过小圆柱中心的z向的基准面，（从整个域的尺寸可以看出，圆柱中心正好在x向的中心，x向是52偶数个网格，所以不用添加x向的基准面）。最下图可以看出已经对称了。2014/12/13 20SW flow simul
17、ation 使用简介网格划分： 在没有实体存在的区域细分网格或者设置目标，需要创建一个包围此区域的零件，以表明关注的区域。然后再使用“零部件控制”命令将此零件禁用。 使用“局部初始网格”命令时，要在设计树中选中这个零件名称，如果在主窗口中点选这个零件实体，软件会认为是使用这个零件的外表面来作为细化区域。 “优化薄壁面求解”可以在算法上解析薄壁特征，而不需要对薄壁周围进行任何形式的网格细化。薄壁的两个面可能都位于同一个单元内，如果两侧流速不同，或者考虑固体壁导热，这样粗的网格是不可以接受的。使用了这个选项则可以正确处理，没必要生成更多网格来解析细小特征。 总结：1、自动网格适用于绝大多数模型，但
18、是当模型含有多个区域需要不同的网格设置时，自动划分会数量偏多，当计算变得很慢时，请改为手动设置。 2、一套有质量的网格划分不仅需要对模型几何体正确剖析，也需要对流动特性精确剖析。 3、有时一套适用的网格是很难得到的，常用方法就是试错法。 4、仿真的结果精度很大程度取决于网格质量，多花点时间放在手动设置网格上，会计算的又快又准。 2014/12/13 21SW flow simulation 使用简介4.结果 网格：可以生成3D视图，对流体网格、固体网格、部分网格、不规则网格指定不同的颜色。切面图：一个常用的后处理工具，用来显示sw模型中任意基准面上的任意结果。可以是网格、轮廓、等值线、矢量，参
19、数可以是温度、流速、压力、力等等 2014/12/13 22SW flow simulation 使用简介4.结果 表面图：即任意一个曲面上的各种显示，同上。 流动轨迹：可以显示流线和放入流体中的粒子路径，且粒子带有质量和温度属性，流动轨迹提供了一个非常好的3D流体流动的图像。一般设置在出口端和入口端设置流动轨迹。 粒子研究：比流动轨迹更专业的后处理工具。注入的粒子的运动和温度对流体流动参数的影响可忽略不计，可以设定粒子与壁面的相互作用（反射、吸收、冲蚀、粒子堆积等）。 XY图：Y可以设为压力、温度、速度等参数，X可以是模型上的线或自定义的草图线。生成一个参数图，研究参数Y沿X方向变化的规律。
20、自动生成excel表格。 目标图：输入数据中定义的各种目标，求解后生成这些目标图，横坐标可以是时间、迭代次数等。使用户清楚地看到目标随着流体仿真的变化过程。自动生成excel表格。 动画：各种切面图和流动轨迹都可以以动画的形式显示，并可以保存为avi文件。2012版本动画过程中，模型不可以转动，新版本似乎可以。 2014/12/13 23流体力学与传热学基础知识回顾一、流体与流动的基本特性 1、理想流体与粘性流体 运动的流体，对相邻两层流体间的相对运动，即相对滑动速度是有抵抗的，这种抵抗力成为粘性应力。流体所具有的这种抵抗两层之间相对滑动或说相对变形的性质，成为粘性。与流体性质、温度、相对速度
21、有关。 当流体的粘性较小（如空气、水），运动的相对速度也不大时，所产生的粘性应力比起其他类型的力可忽略不计，可近似看成无粘性的，称为inviscid fluid, 或perfect fluid。与之相对的就成为粘性流体（viscous fluid）。 2、牛顿流体与非牛顿流体 依据内摩擦应力与速度变化率的关系不同，分为牛顿流体与非牛顿流体。 牛顿流体：应力与应变率是线性关系，空气，水非牛顿：非线性关系，聚合物、血液、泥浆、牙膏 3、流体热传导及扩散 当流体中存在温度差，温度高的地方会向温度低的地方传送热量，成为热传导。当流体混合物中存在着组元的浓度差时，浓度高的地方将向浓度低的地方输送该组元的
22、物质，称为扩散。 由于分子的不规则运动，在各层流体间交换着质量、动量和能量，使不同流体层内的平均物理量均匀化，这种性质称为分子运动的输运性质。质量输运在宏观上表现为扩散现象，动量输运变现为粘性现象，能量输运表现为热传导现象。2014/12/13 24流体力学与传热学基础知识回顾4、可压流体与不可压流体 根据密度是否为常数，流体分为compressible和incompressible两大类。 可压：高速流动的气体、密度因高压而变化、亚音速跨音速超音速 不可压：油、水5、定常与非定常流动 根据流体的物理量（速度、压力、温度等）是否随时间变化，流体分为steady和unsteady两大类，也可称为
23、恒定流动、稳态流动，非恒定非稳态。 一些流体机械在启动或关机时一般是非定常流动，而正常运转时可看作定常流动。6、层流与湍流 层流指流体在流动过程中两层之间没有相互混掺，相反的称为湍流，也称为紊流。湍流普遍，层流属于少数。 层流：雷诺数小，速度平稳有序，流体粘性大，速度慢，油 湍流：雷诺数大，速度快，无序，流体粘性小，水，气7、静压力、动压力、全压力 静压力：静止流体内部单位面积上的法向表面力，和静压力相关的是压力势能。 静压是单位体积气体所具有的势能，是一种力，它的表现将气体压缩、对管壁施压。2014/12/13 25流体力学与传热学基础知识回顾 动压力：流体在流动方向上的压力，只在流动的正面
24、方向有，和动压力相关的是压力动能。 动压是单位体积气体所具有的动能，也是一种力，它的表现是使管内气体改变速度，动压只作用在气体的流动方向，恒为正值。 全压力=静压力+动压力8、流体阻力及能量损失 能量损失：流体克服流动阻力运动必然有部分机械能转换为热能耗散掉。 沿程阻力：流体在流体域内流动时，由于流体的粘滞性和管壁对流体的阻滞作用所产生的摩擦阻力。相应的这部分损失就叫沿程损失。与管壁的长度正比，与流动平均速度平方正比，与截面大小反比。 局部阻力：流体流经截面变化的区域时（截面突然变大或变小，或改变方向），由于构件边壁的阻碍或扰动作用及流体自身的惯性，将发生撞击、旋涡等现象，流速的大小和方向会有
25、急剧的改变，形成较大的流动阻力，称为局部阻力。局部损失。 改善措施：缩短流程、采用渐扩渐缩截面、减少转弯、合理导流2014/12/13 26流体力学及传热学基本知识回顾二、流体动力学控制方程1、质量守恒方程，也称为连续方程（mass conservation equation，continuity equation） 单位时间内一定区域内的质量增加=流入的质量-流出的质量2、动量守恒方程，实际是牛顿第二定律（momentum equation，Navier-Stokes equation） 净力=动量增加率=流出的动量-流入的动量 即：流体的动量对时间的变化率=外界作用力之和3、能量守恒方程，
26、即热力学第一定律（energy equation） 能量的增加率=进入的净热流量-输出功+增加的焓2014/12/13 27流体力学与传热学基础知识回顾二、传热学1、温度 物体的某种宏观性质，当两种此宏观性质不同的物体接触 时，之间会有净能量传递。当这一性质相同时，两物体达到 热平衡。这种性质称为温度。微观上，温度表征物体内部分 子运动的激烈程度。简言之就是表示物体冷热程度的物理量。2、热量 由于温差作用而传递的这部分能量称为热量。热量是一种过程量，所以热量只能说“吸收”“放出”。不可以说“含有”“具有”。热量是物体内能改变的一种量度。内能是状态量，对应系统的一个状态点。不要把热量与内能两个概
27、念混淆。3、稳态传热与非稳态传热 物体中各点温度不随时间变化的传热过程称为稳态传热。反之称为非稳态。 一些系统或设备在稳定运转的情况下多属于稳态传热。在启动、停机的阶段多为非稳态。4、热传导 heat conduction 指在不涉及物质转移的情况下，热量从物体中温度较高的部位传递给相邻的温度较低的部位，或从高温物体传递给相接触的低温物体的过程，简称导热。 与导热面积、导热温差正比。与厚度反比。2014/12/13 28流体力学与传热学基础知识回顾5、热对流 heat convection 指不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量交换。不均匀温度场或浓度场造成了不均匀的密度场，在重力的作用下
28、造成流体的运动。所以CFD中若考虑对流换热，需要加载重力条件。 无相变化的对流分为自然对流、强迫对流。有相变化的分为蒸汽冷凝，液体沸腾（化工、暖通专业涉及）。 与导热面积、导热温差正比。6、热辐射 heat radiation 指物体因自身具有温度而辐射出能量的现象。它是波长在0.1100微米之间的电磁辐射，因此与其他传热方式不同，热量可以在没有中间介质的真空中直接传递。不依靠物体的直接接触。两次能量转化，内能电磁波能内能。物体温度高于绝对零度，都有热辐射。 2014/12/13 29流体力学与传热学基础知识回顾 黑体：假想体，吸收所有热辐射所有射线的物体。不仅包括可见光。所以黑体并不是黑色，
29、与颜色无关。7、比热容c 一定质量的一物质，在温度升高时，所吸收的热量与该物质的质量和升高的温度乘积之比，称做这种物质的比热容(比热)，用符号c表示，单位是焦耳每千克开尔文J /(kgK) 。即单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。 与压力、温度、相态有关。 25一个大气压下，水4200，油2000， 空气1030，陶瓷840，钢450，银235，金 129。 水的比热大，用来调节气候，海边温度变化小。水冷系统。热水取暖。油比水更容易升温。8、热导率或k 也叫导热系数，单位W/（mK），每单位长度、每度k，可以传送多少W能量，表征物体传送热量的能力。随压力、温度、湿度改变。 常温下，铜
30、383，铝204，钢47，不锈钢29，木材0.1，水0.58，空气0.023。9、热扩散率 =/（c），单位是m2/s。反映了导热过程中材料的热导率与沿途物质的储热能力（c）之间的关系。 值大，即值大或c值小，说明物体的某一部分一旦获得热量，该热量能在整个物体中很快扩散。表征物体被加热或冷却时，物体内各部分的温度趋向与均匀一致的能力。2014/12/13 30流体力学与传热学基础知识回顾10、传热的增强与削弱 通过传热分析，找出影响传热的主要因素，进而采取措施改变传热量，解决实际工程问题。 增强措施：增大温差。减小热阻（传导热阻、对流热阻、辐射热阻）。扩展传热面，改变流动状况，改变表面状况 削弱措施：热导率小的保温隔热材料，合适的厚度密度，合理的保温结构和工艺、经济性 举例：暖水瓶胆夹层抽成真空，排除了夹层中空气的对流。夹层的两壁涂有一层辐射黑度 很小的硝酸银层，大大减少夹层两壁面间的辐射换热。结霜的冰箱更费电，因为霜相当于增加了热阻。11、理想气体状态方程 , n气体摩尔数，R常数 8.31J/Kmol 即压强乘以体积除以温度是一个常数。12、热力学第零定律 如果物体A和物体B处于热平衡状态，物体A和物体C处于热平衡状态，则物体B和物体C也处于热平衡状态。nRTpV
