cfd_fea耦合培训教程

CFD_FEA 耦合计算培训教程


目的
目的
CFD分析和有限元分析相互提供 更精确的边界条件
Figure No.
2


基础介绍
分析流程 CFD Simulation
Iterative loop Data processing
使用 CFD进行流场分析 将CFD得到的温度场和换热系数映射 为做有限元分析的边界条件（瞬态计 算程序自动进行时间平均） 有限元进行结构的温度场和热应力分 析 可将有限元得到的壁面温度场转换为 CFD的边界条件进行第二次迭代
FEA Simulation
Data processing
FEA Simulation
Figure No.
3


CFD 环境 第一步 CFD计算 CFD计算
Figure No.
4


不激活这个选项 FE和CFD网格单位的转 化对应
第一步计算CFD的时 候，建议此时不指定有限元网格 只需指定输出频率 Frequency即可。

生成保存结果的 htcc文件
Figure No. 5


CFD计算完之后会在Case目录下产生一个htcc文件，如下图，htcc文件中记 录了每个输出频率上的近壁面温度和HTC
Figure No.
6


第二步 有限元模型的生成
1
有限元结构计算中的实体网格 将网格外表面抽取出来
2 (Hypermesh中使用face命令
CFD计算中的流体网格 结构网格抽取出面网格，用 来做mapping.
将表面单元抽取出来，得到流 固耦合连接面单元)
3
流固耦合层的面网格(cube_surf)用来做 CFD->FEM间mapping，这个网格可以为 四边形单元或三角形单元（该面网格与 CFD网格的密度和单元类型可不同）
该面网格输出前，节点/单元应顺序编号 Figure No.
7


第三步 Mapping
1 转化矩阵的生产
把上一步得到有限元模型导入到FIRE中，由于有限元建模时模型的定 位坐标位置并不一定与CFD模型的坐标位置一致，如右图所示，在这种情 况下不能直接进行mapping，因此，我们需要引入转化矩阵，其将有限元 模型和cfd模型的空间位置关联起来，为下一步mapping做准备。

如果有限 元和CFD模型的空间位置完全相同，这步可以跳过不做。

转化矩阵的生成步骤：
1 准备一个.dat文件，这个文件作为模板存放在AVL的安装目录下面 AVL\FIRE\v2009\modules\fem_interface，如下图所示：用户需要据两个 模型的实际位置关系修改这个文件，然后把它放在case文件夹下
注： 用户可以先在cfdwm里面使用modify这个工具，尝试修改 模型位置，使两个模型处于同一个位置上，然后把相应的 参数填入上述文件中（上述文件中的参数和modify中是对应的）
Figure No.
8


2 用命令行生成转化矩阵文件
注：-fem_input=后面要给处.dat文件的名称，-fem_output=后面要给出矩阵文件的名称。

Figure No. 9


计算结束后，会在case文件夹下生成矩阵文件（.mtx)，如下图所示:其中矩阵文件的名字是 用户在前面输入命令行时自己定义的。

Figure No. 10


2Mapping：
程序自动将CFD计算得到近壁面的温度和HTC在时间上平均和空间上进行映射，赋给有限元软件作为边界条件。

保存之后开始计算，输入mapping的命令如下图所示：：
检查检查mapping mapping mapping结果结果
在mapping 结束后会生成如上图所示的几个文件，其中三个.fl3文件是是用户用来检查mapping 结果的三维结果文件，这一步不是必需的，但为了确保mapping 正确，推荐大家先检查一下结果，具体做法如下所示：
用有限元网格生成一个New case ，然后把生成的fl3文件拷贝到这个case 的文件夹下面，但要注意，要把fl3得名字改成和这个case 的名字一样。

然后从3dresults 中把结果调入进来。

Mapping到有限元软件上的近壁面温度 Mapping到有限元软
件上的HTC
两个模型间的距离
生程的.inp文件才是在有限元计算中输入，作为其边界条件的文件，当选择映射到单元上时，Abaqus格式的热边界文件使用*film的形式，得到各个面网格上的温度与换热系数，如下图所示：
单元编号面单元法向温度换热系数注：对于不同的有限元模型，在mapping
之后得到的边界条件的文件也有所不同，
比如Abaqus模型，得到是一个.inp文件，
而Nastran模型得到是两个.dat文件。

第四部有限元软件的计算
4
1 2 3结构的有限元体网格如图所示，通常，
有限元结构网格的单元密度比CFD网格
疏，单元类型通常为四面体单元：
*MATERIAL, NAME=Material-steel
*CONDUCTIVITY,TYPE=ISO //导热
51.08 ,20.0
35.7 ,600.0
*SPECIFIC HEAT //比热
0.0048 ,0.0
*DENSITY //密度
7.8500E-09,0.0
*ELASTIC, TYPE = ISOTROPIC//弹性模
量
202000.0 ,0.28 ,20.0
200000.0 ,0.28 ,100.0
189000.0 ,0.28 ,300.0
167000.0 ,0.28 ,400.0
*EXPANSION, TYPE = ISO //热膨胀系数
1.2660E-05, 20.0
有限元热场计算中，定义材料特性(随温
度变化)，应包括以下方面(Hypermesh
中为material命令)
在进行热场计算中，有限元体网格的
单元类型为DC3D8或DC3D10；面网
格为DS3或DS4。

定义体单元属性solid section;
定义面单元属性shell section,厚度为
将映射到面网格上的热边界条件与结构体网格通过MPC 连接：
1，定义面网格的节点集(set_node2d)2，定义体网格内部的节点集(set_node3d)注意：两节点集中的节点顺序要对应！3，定义体网格外部表面(surface_outer)注意：表面定义时使用基于单元的面
4，通过MPC 方式连接面网格和体单元节点间的温度自由度dof11（在inp 文件中改）
手工方式在inp 文件中加入MPC ：*Equation //mpc 命令2 //id 号
set_node3d, 11, -1. //节点集，自由度，系数set_node2d, 11, 1. //节点集，自由度，系数
5
6
MPC
7 8 9 10定义计算步，热载边界与输出控制：
有限元热场计算步在前处理中定义，
*STEP
*HEAT TRANSFER, END = PERIOD
1.0 ,1.0 ,1.0000E-05,1.0
流固层的热载边界定义：
该例子中，管道内部CFD映射出的热边界在面网格上，在step计算步中，通过Include方式将边界条件文件关联起来，或者将其中内容拷贝至inp文件内。

*FILM, OP=NEW
21184, FPOS, 82.328, 0.794E-01
21183, FPOS, 82.466, 0.802E-01
……
管道外表面(定义外表面surface_outer),施加30度均匀热场：
*SFILM
surface_outer,F,30.,0.02
同时定义计算结果的输出控制：
*OUTPUT, FIELD
*NODE OUTPUT, VARIABLE = ALL
*ELEMENT OUTPUT, VARIABLE = ALL
提交ABAQUS计算，得到结构的热场计算结果11
可将结构体网格节点温度输出为rpt文件，将流固耦合层的节点温度取出，作为第二次12
CFD计算的边界，并导入fire中：
第五步FEM-CFD 计算有限元软件计算完成之后，可以把得到的较为准确的壁面温度作为CFD计算的边界条件，再进行CFD的计算，其得到的T,HTC可以再次赋给有限元软件。

上述过程模拟计算的精度得到了提高，但由于计算时间的考虑，一般工程上只做一个循环。

激活input FE->CFD,并把上一步有限元计算得到的壁面温度文件导入。

开始进行cfd的计算，从fla文件中可知，这次cfd计算的壁面边界条件来自于有限元计算得到壁面温度。

另外在计算完成之后，会按照如下的输出频率生成一些.inp文件，如下图所示：
在每个输出频率上生成的.inp文件只是在空间上进行了平均，如果用户想把计算得到近壁面的T,HTC赋给有限元软件，那么用户要手动的进行时间平均（算术平均）。

：。