ansys workbench的管道热流固耦合案例
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图 1 管道结构示意图 二、设计思路
几何模型建立 流体域网格划分 Fluent 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 workbench 的工具箱中拖拽 Fluid Flow（Fluent）、Steady-State Thermal 和 Static Structural 模块进入工作界面中，数据传送关系如图 2 所示。
图 5 划分的网格
图 6 网格划分设置
图 7 网格质量
五、fluent 计算
双击 A4，打开 Fluent，保持默认设置，按照流程树逐项进行设置，首先在 general 面板 中，单击 Scale，设置视图中的单位为 mm，紧接着单击 check，检查网格，确定网格没有负 体积，至此，网格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 models 面板，打开能量方程，并选用标准的 k-episilon(2eqn)Viscous 模型。单击 materials 面板，加载液体材料为 water-liquid，加载固体材料为 Steel。单击 Cell Zone Conditions 面板，给流体域施加 water-liquid 材料，给固体域施加 Steel 材料。单击 Boundary Conditions 面板，添加边界条件，coldinlet 为冷流入口，水流速度为 1m/s，水流温度为 20℃， 湍流强度 5%，水力直径 20mm；hotinletone 为热流入口 1，水流速度为 0.5m/s，水流温度 为 50℃，湍流强度为 5%，水力直径为 16mm；hotinlettwo 为热流入口 2，水流速度为 0.5m/s， 水流温度为 80℃，湍流强度为 5%，水力直径为 16mm；wall 的温度为环境温度 20℃；outlet 自由处流，设置出口压力为 0Pa，湍流强度为 10%，水力直径为 20mm。单击 Mesh Interface 面板，观察自动生成的耦合面，查看是否有问题。
图 3 fill 命令选取内部面
图 4 入口出口命名
选定所有外部壁面定义为 wall。最后定义耦合面，定义流固交界面流体一侧的三个面为 interfacef2s，定义流固交界面固体一侧的三个面为 interfaces2f，面的选取如图 5 所示。
图 5 流体域和固体域边界图示
四、网格划分
双击 A3 打开 Meshing 模块，网格划分主要有三部分，选定固体域定义网格方法为 Automatic Method，选定流体域定义网格方法同样为 Automatic Method，最后，在流体域中 选择与固体域相交的三个面定义膨胀层 Inflation。为了使网格更合适质量更好，在 detail of ‘mesh’面板中定义相应参数，其中定义 Relevance 为 100，Relevance Center 为 fine，Smoothing 为 High，Span Angle Center 为 Fine，其余选项均保持默认即可。单击 Generate Mesh 生成网 格，得到节点数为 64628，网格数量为 190857。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。
图 2 数据传送关系
在 SolidWorks 中 建 立 相 应 模 型 ， 并 转 化 成 ansys 适 用 的 x_t 格 式 。 双 击 A2 打 开 DesignModeler，导入相应模型。
Biblioteka Baidu
图 3 模型分别在 SolidWorks 中和在 DesignModeler 中显示
选择 Tools 工具栏下的 Fill 命令，选定管道内壁的三个面，单击 Details View 面板中的 Apply 按钮，之后单击 Generate 按钮，生成相应的流体域，并将流体域命名为 Fluid。在流体域 Fluid 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 coldinlet，hotinletone 和 hotinlettwo，定义出口端面为 outlet。
图 15 初始化设置
图 16 计算设置
图 17 残差设置
图 18 迭代曲线
单击 Graphics 面板，选中 Contours 后单击 Set Up，为便于观察，单击 New Surface 下的 Plane 新建一个平面，根据本次案例的情况，需选用 YZ 平面来进行观察，平面设置如图 19 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。
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 150mm，直径为 24mm，竖直管道直径为 16mm， 高度为 50mm，分别距离左端面 45mm 和 95mm，整体管道壁厚为 2mm。20℃的低温水从 左端的入口流入，流速为 1m/s，50℃的液态水和 80℃的液态水分别从竖直的管道流入，流 速均为 0.5m/s，冷热水流混合后从右端流出，周围的环境温度为 20℃。
考虑到本次案例模型简单，边界条件也不复杂，所以 Solution Methods，Solution Controls 采用默认设置即可。单击 Monitor 面板双击 Residuals 设置计算的残差为 1e-5。单击 Solution Initialization 选择 Standard Initialization，Compute from all-zones，单击 Initialize 完成初始化。 单击 Run Calculation 面板设置迭代步数为 500，单击 Calculate 进行计算。
图 8 单位设置
图 9 general 面板设置
图 10 模型面板设置
图 11 材料面板设置
图 12 冷流入口流速和强度设置
图 13 冷流入口温度设置
图 12 和图 13 仅显示了冷流入口的设置，其余的入口和出口以及避免的设置与图 12 和 图 13 的设置方法相同，不在作图展示。
图 14 自动生成的接触面
几何模型建立 流体域网格划分 Fluent 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 workbench 的工具箱中拖拽 Fluid Flow（Fluent）、Steady-State Thermal 和 Static Structural 模块进入工作界面中，数据传送关系如图 2 所示。
图 5 划分的网格
图 6 网格划分设置
图 7 网格质量
五、fluent 计算
双击 A4，打开 Fluent，保持默认设置，按照流程树逐项进行设置，首先在 general 面板 中，单击 Scale，设置视图中的单位为 mm，紧接着单击 check，检查网格，确定网格没有负 体积，至此，网格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 models 面板，打开能量方程，并选用标准的 k-episilon(2eqn)Viscous 模型。单击 materials 面板，加载液体材料为 water-liquid，加载固体材料为 Steel。单击 Cell Zone Conditions 面板，给流体域施加 water-liquid 材料，给固体域施加 Steel 材料。单击 Boundary Conditions 面板，添加边界条件，coldinlet 为冷流入口，水流速度为 1m/s，水流温度为 20℃， 湍流强度 5%，水力直径 20mm；hotinletone 为热流入口 1，水流速度为 0.5m/s，水流温度 为 50℃，湍流强度为 5%，水力直径为 16mm；hotinlettwo 为热流入口 2，水流速度为 0.5m/s， 水流温度为 80℃，湍流强度为 5%，水力直径为 16mm；wall 的温度为环境温度 20℃；outlet 自由处流，设置出口压力为 0Pa，湍流强度为 10%，水力直径为 20mm。单击 Mesh Interface 面板，观察自动生成的耦合面，查看是否有问题。
图 3 fill 命令选取内部面
图 4 入口出口命名
选定所有外部壁面定义为 wall。最后定义耦合面，定义流固交界面流体一侧的三个面为 interfacef2s，定义流固交界面固体一侧的三个面为 interfaces2f，面的选取如图 5 所示。
图 5 流体域和固体域边界图示
四、网格划分
双击 A3 打开 Meshing 模块，网格划分主要有三部分，选定固体域定义网格方法为 Automatic Method，选定流体域定义网格方法同样为 Automatic Method，最后，在流体域中 选择与固体域相交的三个面定义膨胀层 Inflation。为了使网格更合适质量更好，在 detail of ‘mesh’面板中定义相应参数，其中定义 Relevance 为 100，Relevance Center 为 fine，Smoothing 为 High，Span Angle Center 为 Fine，其余选项均保持默认即可。单击 Generate Mesh 生成网 格，得到节点数为 64628，网格数量为 190857。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。
图 2 数据传送关系
在 SolidWorks 中 建 立 相 应 模 型 ， 并 转 化 成 ansys 适 用 的 x_t 格 式 。 双 击 A2 打 开 DesignModeler，导入相应模型。
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图 3 模型分别在 SolidWorks 中和在 DesignModeler 中显示
选择 Tools 工具栏下的 Fill 命令，选定管道内壁的三个面，单击 Details View 面板中的 Apply 按钮，之后单击 Generate 按钮，生成相应的流体域，并将流体域命名为 Fluid。在流体域 Fluid 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 coldinlet，hotinletone 和 hotinlettwo，定义出口端面为 outlet。
图 15 初始化设置
图 16 计算设置
图 17 残差设置
图 18 迭代曲线
单击 Graphics 面板，选中 Contours 后单击 Set Up，为便于观察，单击 New Surface 下的 Plane 新建一个平面，根据本次案例的情况，需选用 YZ 平面来进行观察，平面设置如图 19 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。
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 150mm，直径为 24mm，竖直管道直径为 16mm， 高度为 50mm，分别距离左端面 45mm 和 95mm，整体管道壁厚为 2mm。20℃的低温水从 左端的入口流入，流速为 1m/s，50℃的液态水和 80℃的液态水分别从竖直的管道流入，流 速均为 0.5m/s，冷热水流混合后从右端流出，周围的环境温度为 20℃。
考虑到本次案例模型简单，边界条件也不复杂，所以 Solution Methods，Solution Controls 采用默认设置即可。单击 Monitor 面板双击 Residuals 设置计算的残差为 1e-5。单击 Solution Initialization 选择 Standard Initialization，Compute from all-zones，单击 Initialize 完成初始化。 单击 Run Calculation 面板设置迭代步数为 500，单击 Calculate 进行计算。
图 8 单位设置
图 9 general 面板设置
图 10 模型面板设置
图 11 材料面板设置
图 12 冷流入口流速和强度设置
图 13 冷流入口温度设置
图 12 和图 13 仅显示了冷流入口的设置，其余的入口和出口以及避免的设置与图 12 和 图 13 的设置方法相同，不在作图展示。
图 14 自动生成的接触面