sw flow simulation使用简介及流体力学热力学基础

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目 录
• 01 SW flow simulation使用简介 • 02 应用实例介绍 • 03 流体力学及传热学基本知识回顾
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SW 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。
SRAC推出COSMOS/M 第一款用于 PC 的 FEA 软件
Solidworks创立 SW被达索收购 SW卖出16万份
SW2009版本 COSMOS更名Simulation
1995 1982 1985 1993 1997 2001
2005 2008
2014
SRAC成为SW第一个合作伙伴 SW推出第一版SW1995 发布SW&Premium
SolidWorks flow simulation 使用简介及流体力学热力学基础
Image courtesy of National Optical Astronomy Observatory, operated by the Association of Universபைடு நூலகம்ties for Research in Astronomy, under cooperative agreement with the National Science Foundation.
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SW 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
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SW flow simulation 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。
嵌入SW 直观界面 自动网格
假设？分析
湍流模型
收敛解算
边界层
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。
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SW flow simulation 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。
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SW 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。
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SW 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
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SW 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。
SW 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。
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SW 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。
……
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……
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SW flow simulation 使用简介
内部和外部流体 多组分气体
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网格划分： sw根据通过使用整个模型的所有尺寸、计算域 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。
否
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……
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SW flow simulation 使用简介
（ Structural Research and Analysis Corporation） SRAC 创立
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SW flow simulation 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。
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SW 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。
热现象：传导 对流 辐射
SW flow simulation 设计更好的产品
CFD结果导入CAE
非牛顿流体
电子设备热分析 风扇曲线 旋转区域：全体or局部
优化设计-参数分析
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……
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SW flow simulation 使用简介
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SW 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：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。
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SW 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，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
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SW 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 是 显示和输出计算结果
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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。