SolidWorks流体分析

第
一 课
计算流体动力学概述
计算流体动力学：Computational Fluid Dynamics /CFD
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。
CFD的基本思想： 把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，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
第
七
课
稳态流动：流体流动过程中各物理量均与时间无关。
瞬态流动：流体流动过程中某个或某些物理量与时
间有关。
a 为速度恒定，代表定常流；
b 为速度作小幅变化，可近似为定常流；
c 为周期性谐波脉动流（正弦波）；
d 为周期性非谐波脉动流（生理波）；
e 为非周期性脉动流（衰减波）；
f 为随机流动（湍流）。
第
1
3
第
六
课
方案结果对比
a
b
目录 1. 圆柱绕流现象 2. 多孔介质 3. 参数研究
第 七 课
问题一：圆柱绕流现象
第
七 课
内流场和外流场
内流Internal：流体被物理几何体封闭，由内部体积为典型分析构成。
例如：流管, 阀, 发动机…
外流External：物理几何体浸没在流体中求解域必须远大于实际几何体。 分析典型倒置意义，对象被固定住并且流体在上面吹它。 例如：翅膀, 导弹, 潜水艇…
多数工程问题，一般都是用不到热辐射这种传热方式！
第 五 课
傅里叶定律
Thot
Tcold
式中K为热导率，热导率是一种材料属性，它表示材料通过传导 的方式传递热能的效率。
第 五 课
牛顿冷却方程
对流的两种方式： 1. 自然对流：是没有外界驱动力但流体依然存在运动的情况，引起
流体这种运动的内在力量是温度差。 2. 强制对流：当有外力推动（如泵或者风扇）流体导致流体运动的
起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组
获得场变量的近似值。
第
一 课
计算流体动力学的数学基础
纳维—斯托克斯方程（N-S方程）
关于纳维斯托克斯方程的历史背景以及现在很多关于流体问题的争论学习者可 以自行上网查阅相关资料，对学习CFD会有一定帮助。
第 一 课
什 么 是 仿
在这个分支图中的难点： 1. 如何结合企业目前的实验状况
很多新手或者学习者低估了模型简化的价值，模型简化是仿真的第一步， 这部分工作的好坏直接影响到你之后网格划分的精度和数量，也影响到求 解的速度和计算结果的好坏。一般情况下，作为出工程图的三维模型是无 法运用于分析计算的。
合理的简化不代表你结果误差就一定大。
第 五 课 模型简化
1. 装配体零件简化 2. 零件特征简化
第
五 课
固体材料
铜
金
PCB四层
铝
未标注材料均 为绝缘体
不锈钢321
硅
自定义材料
硅
第 五 课
工 程 模 型 库
第
五 课
新建材料
热边界条件
发热功率2W
发热功率
0.5W
发热功率3W
小电容35℃ 大电容45℃
小电容35℃ 大电容45℃
第
五 课
风扇P-Q曲线
第
五 课
多孔板
如果我们分析遇到这样的问题，该 如何处理？直接画网格么？
第
三
课
手动网格划分界面
每个设置参数的含义
目录 1. 自动网格控制 2. 局部网格控制 3. 网格无关性问题
第 四 课
问题一：自动网格控制
第 四
课 分析实例：喷嘴
问题描述：空气以5e-6m^3/s的流量从喷嘴喷入，并从顶部出口将气 体排出，通过网格控制，将网格总数控制在40万以内，并分析内部 流体分布。
免。
第 一
课 边界条件
第 一 课 总压=静压+动压
静压：流体静止状态下形成的压强，可通过设备直接测量。 动压：流体的动能，一般不能被直接测量。
第
一 课
定义目标
Global Goal：一个在整个计算域的物理参数计 算。
Point Goals：一个用户对模型的指定点物理参 数计算。
Surface Goal：一个用户对模型的指定面物理参 数计算。
第 三
课 分析实例：方管 问题描述：方管内部包含两个间隔板，入口处通入1 kg/s的水，出 口为大气静压环境，通过网格控制，分析内部流体分布。 流体材料：水
第
三
课
自动网格划分界面
了解三个重点： 1. 等级设置 2. 最小缝隙尺寸 3. 显示基础网格
第
三
课
3级
5级
第 三 课
问题二：手动网格控制
5. 实验人员的工资和培训成本。
第 一 课
问题二：分析流程介绍
第 一 课
Flow Simulation流体分析步骤： 1. 准备用于分析的模型； 2. 使用向导功能设定流体仿真； 3. 加载边界条件； 4. 明确计算目标； 5. 运行分析； 6. 后处理结果。
第 一
课 分析实例：歧管 问题描述：空气以0.05m^3/s的流量进入歧管入口，并从六个出口流 出，分析管路内的流体分布以及沿管路红色箭头方向的压力分布。 流体材料： 空气
20~300 60~1800 300~6000 3000~60,000 6000~120,000
第 五 课
问题二：操作
第 五
课 分析实例：机箱
问题描述：机箱内各元器件工作时产生热功耗，由风扇强制流动降 温，考察机箱内温度和流体分布。
流体材料： 空气 固体材料：铜、PCB板等
第 五 课
模型的简化包括： 1. 复杂零件的特征简化； 2. 复杂装配体的零件简化。
数值方法
第
一
课
成本都是企业和工程师必须考虑的一个主要因素，很多人对分析的认识存在极
大的误区，认为仿真分析的成本就是电脑硬件成本和工程师的成本，其实仿真分析
的成本包含以下几个方面（中国企业的实际情况暂时不考虑软件的成本）：
1. 电脑硬件成本；
2. 工程师的工资和培训成本；
3. 工作计算的时间成本；
4. 实验场地和设备的硬件成本；
对流现象。
第
五
课
对流换热系数h的物理意义：当流体与固体表面之间的温度差为1K
时， 单位壁面面积在每秒所能传递的热量。h的大小反映对流换热的强
弱。
典型的对流换热系数
介质 空气（自然对流） 空气/过热蒸汽（强对流） 油（强制对流） 水（强制对流）
水（沸腾） 蒸汽（压缩）
对流换热系数,h(W/m^2,K) 5~25
目录 1. 分析理念及CFD介绍 2. 分析流程介绍
第 一 课
问题一：分析理念及CFD介绍
第
一 课
引言
流体力学： 宏观力学。是一种研究宏观运动规律的学科。 研究对象：流体(Fluid)。包括液体和气体。
液体：无形状，有一定的体积；不易压缩，存在自由（液）面。 气体：既无形状，也无体积，易于压缩。
流线（streamline）：线上任意点的切线方向与该点的速度方向一致的假 想曲线。
目录 1. 自动网格控制 2. 手动网格控制
第 三 课
问题一：自动网格控制
第 三 课
软件2017版界面和2016版及以前的界面在网格划分上产 生了一定的变动，但是功能及名称未发生变动，本视频以 2017版界面讲解，所以学习者要稍微注意下软件版本，如 若版本不对应，请在操作过程自行查找功能按钮位置。
研究任务：
研究流体所遵循的宏观运动规律； 流体和周围物体之间的相互作用。 例如：网球、汽车风阻、水泵、风扇等
第
一 课
研究方法
理论分析：根据实际问题建立理论模型、涉及微分体积法、速度势法、保角变换法 。 实验研究方法：根据实际问题利用相似理论建立实验模型，选择流动介质，设备包 括风洞、水槽、水洞、激波管、测试管系等。尽管通过实验的结果一般上来说是比 较可靠的，但是会受到模型尺寸以及边界条件等限制。 数值计算方法 ：根据理论分析的方法建立数学模型，选择合适的计算方法，包括有 限差分法、有限单元法、特征线法、边界元法等，利用商业软件和自编程序计算， 得出结果，用实验方法加以验证，可以解决理论分析解决不了的复杂流动的问题， 和实验相比所需的费用和时间也比较少。
流体材料： 空气
第
四
课
目标
其中名词的意义
第
四
课
自动网格
自动网格划分达到接近60万
第
四 课
自动网格控制（老版界面）
初始网格的级别
最小缝隙尺寸
最小壁面厚度 （仅在最小壁厚 的值小于最小缝 隙的时候这个数 值才会工作）
第
四 课
最小缝隙的选择
方案一：选取整个模型的最小特征作为最小缝隙尺寸。 缺点：如果有极个别尺寸远远小于模型正常尺寸，网格数量将会很多。 方案二：选取一个合理的模型尺寸作为最小缝隙尺寸，极个别特征使用局部网格控 制功能。
制定一套可行性分析方案；
真
2. 如何建立起软件计算和实验/理
分
论计算数据的桥梁，形成结果
析
的分析对比；
3. 如何通过实验数据和仿真数据
为企业研发产生新的价值。
第 一 课
固体力学 流体力学
热力学 动力学
……
计算力学发展
有限单元法
有限差分法 边界元法
计算机性能提高 计算力学 工程应用
加权残数法 ……
理论研究
出口：Static Pressure
入口：0.05 m^3/s
第 一 课
封盖创建
向导
网格
第
一 课
内流场和外流场
内流Internal：流体被物理几何体封闭，由内部体积为典型分析构成。
例如：流管, 阀, 发动机…
外流External：物理几何体浸没在流体中求解域必须远大于实际几何体。 分析典型倒置意义，对象被固定住并且流体在上面吹它。 例如：翅膀, 导弹, 潜水艇…
冷水 出口 冷水入口
第 六 课
流 体 子 域 设 置
第 六 课
第 六 课
外流场计算域控制方法
第
六 课
补充介绍
FlowSimulation帮助文件中对流 体模型有一定的介绍，这部分知 识类似于结构中的非线性模型
第 六 课
问题二：EFD缩放
第 六 课
本课开始前请关闭Windows防火墙
第 六
七 课
层流和湍流
层流Laminar :流动是有规则的，有层次的，稳定的； 湍流Turbulent : 流动是无规则脉动的，有强烈的掺混性和涡旋性。
雷诺实验 （O.Reynolds,1883 ）
层流区
过渡区
紊流区
德雷顿（H.Dryden,1934） 热线测速仪
第 七 课
C就是我们所说的卡门 涡街现象，它最大的问 题之一就是会产生激励 频率，从而引发结构共 振。
课 分析实例：散热器安装方案确定 问题描述：散热器如图分别按照方案A和方案B进行安装，运用EFD缩放技 术考察两种情况下散热效果。 流体材料： 空气 固体材料：铜、PCB板等
第 六
课 EFD缩放思路
用一个假象实体替代 散热器并整体求解
将之前的计算边 界条件导入
局部求解
第 六 课
EFD缩放边界条件导入步骤 2
第
一 课Βιβλιοθήκη 层流和湍流层流Laminar :流动是有规则的，有层次的，稳定的； 湍流Turbulent : 流动是无规则脉动的，有强烈的掺混性和涡旋性。
雷诺实验 （O.Reynolds,1883 ）
层流区
过渡区
紊流区
德雷顿（H.Dryden,1934） 热线测速仪
第 一 课
内流场封闭检查
在流体与固体网格界定时，有两个主要因素需要重视： 1. 在内部分析中，不能存在与外界连通的开口； 2. 点接触与线接触都被视为无效接触，在内部和外部分析中均需避
第 四 课
问题二：局部网格控制
第 四 课
第
四
课
局部网格划分界面
每个设置参数的含义
第 四 课
问题三：网格无关性问题
第 五 课
目录 1. 热分析基础 2. 操作 3. 计算界面
本课内容主要讲解的就是常规的操作和功能，涉及到流动过程的 散热问题、风扇问题、多孔板以及PCB板这些流体问题的常规问题！
第 五 课
问题一：热分析基础
第 五
课 传热的基本方式： 热传导是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。 热对流是指固体表面与附近流体间的传热。 热辐射是指一定温度下物体的热能通过电磁波的形式向外发射的过程。
第
五 课
多孔板模型库
第
五 课
温度场分布
流场分布
第 五 课
问题三：计算界面
第
五 课
后处理界面
第 六 课
目录
1. 耦合传热 2. EFD缩放
第 六 课
问题一：耦合传热
第 六
课 分析实例：冷却板 问题描述：将一块冷却板至于大气中， 上表面产生200W的热量，下表面 由冷却管内通入冷水进行冷却，入口质量流量0.001kg/s，温度为5℃，在 空气与冷水共同作用下，温度场分布。 流体材料： 水,空气 固体材料：铝
Volume Goal：一个用户指定空间内的计算域的 物理参数计算，无论是在液体或固体（如固体 传热考虑）
Equation Goal：是一个目标明确的方程（基本 数学函数）与指定的目标变量。例如：压降， 温差等
目标设置
计算求解
第 二 课
结果云图
第
二 课
流线和迹线
迹线（track）：流体质点的运动轨迹线。