传热学中几种常用的软件及数值解法的介绍

传热学中几种常用软件及数值解法的介绍

一、常用软件介绍：

1、FLUENT

软件简介

FLUENT软件是美国FLUENT公司开发的通用CFD流场计算分析软件，囊括了Fluent Dynamic International、比利时Polyflow和Fluent Dynamic International（FDI）的全部技术力量（前者是公认的粘弹性和聚合物流动模拟方面占领先地位的公司，而后者是基于有限元方法CFD软件方面领先的公司）。

FLUENT是用于计算流体流动和传热问题的程序。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转捩与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。

采用的数值解法

有限体积法（Finite Volume Method）

程序的结构

FLUENT程序软件包由以下几个部分组成：

(1)GAMBIT——用于建立几何结构和网格的生成。

(2)FLUENT——用于进行流动模拟计算的求解器。

(3)prePDF——用于模拟PDF燃烧过程。

(4)TGrid——用于从现有的边界网格生成体网格。

(5)Filters(Translators)—转换其他程序生成的网格，用于FLUENT计算。

FLUENT程序可以求解的问题

(1)可压缩与不可压缩流动问题。

(2)稳态和瞬态流动问题。

(3)无黏流，层流及湍流问题。

(4)牛顿流体及非牛顿流体。

(5)对流换热问题(包括自然对流和混合对流)。

(6)导热与对流换热耦合问题。

(7)辐射换热。

(8)惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟。

(9)用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相(颗粒，水滴，气泡等)。

(10)一维风扇、热交换器性能计算。

(11)两相流问题。

(12)复杂表面形状下的自由面流动问题。

用FLUENT程序求解问题的步骤

利用FLUENT软件进行求解的步骤如下：

(1)确定几何形状，生成计算网格(用GAMBIT，也可以读入其他指定程序生成的网格)。

(2)输入并检查网格。

(3)选择求解器(2D或3D等)。

(4)选择求解的方程：层流或湍流(或无粘流)，化学组分或化学反应，传热模型等。确定其他需要的模型，如：风扇、热交换器、多孔介质等模型。

(5)确定流体的材料物性。

(6)确定边界类型及其边界条件。

(7)条件计算控制参数。

(8)流场初始化。

(9)求解计算。

(10)保存结果，进行后处理等。

FLUENT ICEPACK

软件简介：电子设备热控分析

面向工程师开发的专业电子产品热分析软件。Icepak软件易学易用，不需要设计人员有专业的CFD知识背景。软件内置有大量的电子产品模型、各种风扇库及材料库等，用户只需简单调用即可完成模型设计；从而大大缩短设计周期，节省成本。

Icepak软件在通讯、计算机、通用电器、汽车及航空电子设备等领域都有着广泛的应用。Icepak软件的显著特点是面向对象的建模功能；丰富的物理模型，可以模拟自然对流/强迫对流/混合对流、热传导、热辐射、层流/湍流、稳态/非稳态等流动现象。Icepak还提供了其它分析软件所不具备的能力，如：精确地模拟复杂形状的部件、元器件间的接触阻力、各向异性热传导率、非线性风扇曲线以及在辐射传热中的View factor的自动计算；完全工程化的边界条件和问题设置；面向对象的默认网格参数设置；内置的FLUENT 求解器，可以监控求解过程和中断求解；支持高效率并行计算；方便的图形化后处理功能；提供了扩展的

CAD及EDA接口，包括直接的PRO/E接口以及IGES、STEP、DXF、IDF等接口，易于与其它机械工程CAD工具和EDA软件集成。

2、ANSYS

软件简介

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。

采用的数值解法

有限元法（finite element method）

软件功能简介

软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供

了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电

磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

前处理模块

（1）实体建模

ANSYS程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。

（2）网格划分

ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计