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1.1 Mechanical模块与CFD模块的热分析计算

下面以一个简单例子说明各模块进行热分析的流程。已知一个电熨斗的截面如图1-1-1所示,热传导系数为60.5 W·m −1 ·℃ −1 ,板厚为0.005 m,置于环境温度为25℃的空间内,电功率为1200 W,考虑辐射在内的表面换热系数为80 W·m −2 ·℃ −1 ,求稳态条件下电熨斗上下平面的温度。

说明: 1-1-1

图1-1-1 电熨斗的截面

解: 在笛卡儿坐标系内,三维非稳态传热通用微分方程为:

式中, T 为温度, t 为时间, ρ 为密度, c 为比热容, k 为热传导系数, x y z 为位置坐标, Q 为内热源(未标注单位,均为国际单位制单位)。

对于一维(仅 x 向)、稳态和无内热源模型,方程简化为:

其通解为:

第一类边界条件为(给定壁面温度):

式中, 为输入热通量, (W·m −2 )。

第二类边界条件为(给定壁面热通量):

式中, 为环境温度, h 为表面换热系数, 为厚度,

C 1 C 2 代入通解方程,则:

m时,上表面温度为629.91℃;当 m时,下表面温度为625.94℃。

下面用ANSYS Workbench的Steady-State Thermal、CFX和Fluent模块分别进行计算,以验证其计算结果。

1.建立分析流程

图1-1-2所示为热分析流程。其中包括A框架结构的Spaceclaim建模模块、B框架结构的Steady-State Thermal稳态热分析、C框架结构的划分网格、D框架结构的CFX热分析、E框架结构的划分网格(复制C框架结构的划分网格)、F框架结构的Fluent热分析。

注意

CFX和Fluent流体分析流程有多种形式,本例采用C3(Mesh)选项与CFX的D2(Setup)选项建立关联;E框架由C框架复制而来,具体操作是右击C框架,选择Duplicate;E3(Mesh)选项与Fluent的F2(Setup)选项建立关联。

2.在Steady-State Thermal模块定义材料

在B2处双击鼠标左键,进入Engineering Data界面,新建材料为al,定义热传导系数(即Isotropic Thermal Conductivity)为60.5 W·m −1 ·℃ −1 ,如图1-1-3所示。

图1-1-2 热分析流程

图1-1-3 材料定义

注意

对于稳态热分析,至少需要输入热传导系数这项材料参数。

3.稳态热分析之前处理

在B4处双击鼠标左键,进入Mechanical前处理。

首先单击Geometry→Geom\实体,在下方的Details窗口中展开Material选项,将Assignment设置为al,即选择定义的al材料。然后右击Mesh→Insert→Sizing,选择整个实体,在下方的Details窗口中的Type项中选择Element Size,将Element Size设置为2mm,如图1-1-4所示。此处定义单元尺寸是为了保证在同一网格尺度下对比计算结果。

说明: 1-1-4a

图1-1-4 网格划分

4.稳态热分析之边界条件

Analysis Settings各选项全部采用默认设置。边界条件设置如图1-1-5所示。选择电熨斗的上平面,对其加载Heat Flow(热流),数值为1200 W;选择电熨斗的下平面,对其加载Convection(对流),其中Film Coefficient(换热系数)设置为80 W·m −2 ·℃ −1 ,Ambient Temperature(环境温度)设置为25℃。

说明: 1-1-5

图1-1-5 边界条件设置

5.稳态热分析之后处理

单击Steady-State Thermal→Solution,分别查看Temperature和Total Heat Flux项,其中Temperature的后处理结果如图1-1-6所示。计算结果显示电熨斗上平面(定义热流面)的温度为629.92℃,电熨斗下平面(定义对流面)的温度为625.947℃。查看Total Heat Flux结果为48075.74 W·m −2

对比之前的计算结果,数值之间的差异原因仅在于面积取值精度,如果将软件计算的热流密度代入重算,可认定两种计算结果完全一致。

图1-1-6 稳态热分析之Temperature的后处理结果

6.CFX热分析之划分网格

在C3处双击鼠标左键,进入Mesh划分网格。在下方的Details窗口中将Physics Preference设置为CFD,Solver Preference设置为CFX(以CFX求解器进行CFD计算),Element Order设置为Linear,如图1-1-7所示。再插入Sizing,选择整个实体,在下方的Details窗口中的Type项中选择Element Size,将Element Size设置为2mm,与图1-1-4定义一致。

说明: 1-1-7

图1-1-7 CFX网格划分

注意

在Physics Preference项可选择Mechanical、Electromagnetics、CFD、Explicit、Nonlinear Mechanical、Hydrodynamics和Custom 7种物理场形式。表1-1-1列出本系列书籍相关物理场网格划分的默认设置参数。其中Element Order(单元的阶)表示选择线性(一次)单元或二次单元;Straight Sided Elements(直边单元)表示选择二次单元时,中节点是否与首尾两节点呈直线,一般为保证有限元模型与实体模型的匹配精度,都定义为No;Sizing Options(尺寸调整)分别基于网格大小调整(Use Adaptive Sizing)或曲率角度调整(Capture Curvature);Transition(过渡)/Growth Rate(增长率)表示相邻网格尺寸的变化程度,例如1.2的增长率即为后续网格比前面网格的尺寸大20%;Span Angle Center(跨度角中心)/Curvature Normal Angle(曲率法向角)表示一个单元跨越的模型角度,越小则有限元模型与实体模型的匹配精度越高;Smoothing(平滑)表示网格节点自动匹配实体模型轮廓的程度,平滑度越高则有限元模型与实体模型的匹配精度越高;Collision Avoidance(避免冲突),需要在Inflation-View Advanced Options选项中选择Yes才能查看,因为曲面膨胀很可能导致相邻处冲突,产生棱锥形网格,进而造成网格质量下降,所以默认使用Stair Stepping(梯步)法,可以减少此类网格,如果采用Layer Compression(层压缩)法则效果更好;Transition Ratio(膨胀-过渡比)表示膨胀层体积变化比,但是特别注意除了CFX的过渡比为0.77,其余均是0.272,这是因为Fluent等流体软件以单元中心方式计算膨胀比,单元控制体积与单元一致,而CFX则以节点中心方式计算膨胀比,单元控制体积是以点为基准的各个单元形心连接构成区域,所以数值上存在差异,但处理结果相似;Rigid Body Behavior(刚体行为)表示对刚体进行全体划分网格处理(Full Mesh)或者进行接触区域部分面划分网格处理(Dimensionally Reduced)。

表1-1-1 默认网格参数设置

划分完网格后,建议再右击Mesh,选择Update,会出现“The mesh translation to CFX/Fluent was successful”的提示,这样可以方便后续操作。

如图1-1-8所示,采用Named Selections分别给电熨斗模型面定义不同名称,以方便后续分析,其中上面定义名称为“heatflow”,下面定义名称为“convection”,周边5个面集合定义名称为“wall”。Named Selections的具体操作参见《ANSYS Workbench有限元分析实例详解(静力学)》 ,其功能不仅对于流体分析极其重要,而且特别适用于优化设计等批量处理功能。

说明: 1-1-8

图1-1-8 定义名称

7.CFX热分析设置

在D2 Setup处双击鼠标左键,进入CFX分析模块。由于Mesh项已经与CFX的Setup项建立关联,所以Outline窗口下Mesh处出现B4(体模型默认名称)和之前定义的名称;在1区Materials下双击Aluminium项,弹出Details of Aluminium对话框,Basic Settings选项卡中全部采用默认设置,Material Properties选项卡中仅修改Transport Properties区域中的Thermal Conductivity为60.5 W·m −1 ·K −1 (与题设参数匹配);在2区双击Analysis Type项,定义Option为Steady State(稳态,与题设条件一致),先右击Default Domain,将其删除,再右击Flow Analysis1,插入Domain(创建域1),在Domain1的Basic Settings选项卡中定义Location为B4(体模型),在Domain Type处选择Solid Domain(固体域),其余项采用默认设置,在Domain1的Solid Models选项中,Heat Transfer-Option项选择Thermal Energy,其余项采用默认设置,如图1-1-9所示。

说明: 1-1-9

图1-1-9 CFX分析设置(1)

相关选项说明

在Details of Aluminium对话框中的Basic Settings选项卡中,Option下拉列表框中的Pure Substance选项用于对纯物质创建物化参数(如黏度、密度或摩尔质量等);Fixed Composition Mixture选项基于固定质量分数创建固定成分混合物,且在空间或时间模拟过程中不允许改变;Variable Composition Mixture选项用于创建在空间和时间模拟过程中质量分数允许变化的混合物;Homogeneous Binary Mixture选项基于饱和度创建平衡相变混合物;Reacting Mixture选项用于创建化学反应混合物;Hydrocarbon Fuel选项用于定义碳氢燃料。

在Details of Domain 1 in Flow Analysis 1对话框中的Solid Models选项卡中,Heat Transfer区域的Option下拉列表框中的None选项表示不考虑传热的分析;Isothermal选项表示基于特定温度条件下,不考虑传热的分析;Thermal Energy选项表示不考虑流体动能所产生的热量变化,均为低速状态的传热分析,例如低于0.3马赫的不可压缩流体传热;Total Energy选项表示考虑流体动能所产生的热量变化。

如图1-1-10所示,右击左侧Domain 1项,依次插入边界条件Boundary 1、Boundary 2和Boundary 3,在3区中双击Boundary 1,在Details of Boundary 1 in Domain 1 in Flow Analysis 1对话框中的Basic Settings选项卡中,Location下拉列表框中选择“convection”,Boundary Details选项卡的Option下拉列表框中选择Heat Transfer Coefficient,Heat Trans.Coeff.定义为80 W·m −2 ·K −1 (与题设参数匹配),Outside Temperature定义为25℃(与题设参数一致)。同样的方法设置Boundary 2和Boundary 3。Boundary 2的Location下拉列表框选择“heatflow”,Option下拉列表框选择Heat Flux,Heat Flux in设置为48075.7 W·m −2 (为保证精度,采用稳态热分析计算结果数值);Boundary 3的Location下拉列表框选择“wall”,Option下拉列表框选择Heat Flux,Heat Flux in定义为0 W·m −2 。在4区双击Solver Control,在Details of Solver Control in Flow Analysis 1对话框的Basic Settings选项卡中将Max. Iteration设置为200,其余全部采用默认设置。

说明: 1-1-10

图1-1-10 CFX分析设置(2)

相关选项说明

因为仅对固体模型进行热分析,所以Boundary Type均为Wall,在Option下拉列表框中Adiabatic选项为绝热边界,即热通量为0,本例第三个边界条件也可以采用此项;Fixed Temperature、Heat Flux和Heat Transfer Coefficient选项均与Mechanical热分析边界条件一致。

使用耦合求解器时,CFX对稳态分析求解采用伪瞬态法,一般在Details of Solver Control in Flow Analysis 1对话框的 Basic Settings选项卡的Convergence Control区域,将Max. Iterations设置为100~200个迭代步即可保证收敛。如果在200步内还没有收敛,则需要考虑调整Timescale(时间尺度),而不是增加迭代步数。

Timescale Control计算总时间和每步计算时间达到实现计算收敛的目的,CFX分为3种设置方法:(1)Auto Timescale(自动),即软件依据模型自动计算网格长度和平均速度之比,如果同时将Timescale Factor设置为0.3则更好;(2)Local Timescale Factor(局部因子),即针对速度差异较大且网格尺寸一致的分析,软件以局部因子乘上Timescale以控制收敛;(3)Physical Timescale,一种又好又快的收敛设置,对于通用模型,该值一般为网格长度和平均速度之比的三分之一;对于旋转机械模型,该值为0.1/ ω ~1/ ω ω 为转速,单位为rad/s);对于自然对流模型,该值为 l 为垂直于温度梯度的单元长度,单位为m; 为热膨胀系数,单位为℃ −1 g 为重力加速度,单位为m·s −2 ;Δ T 为温差,单位为℃)。本例只涉及固体传热分析,可通过Solid Timescale Control进行调整,因为固体的传热能量方程只依据热传导系数、密度、比热容等参数,计算非常稳定,所以固体的Timescale参数一般为流体的Timescale参数的100倍。

Convergence Criteria用于判定是否收敛且计算结束,其优先级高于Max. Iterations设置。Residual Type可设置为MAX(最大)或RMS(均方根)。Elapsed Wall Clock Time Control用于控制计算时间,如果计算花费超过设置计算时间,则不管是否收敛均停止运算。Interrupt Control基于CEL表达式进行计算终止判断。其他设置默认即可。

在D3 Solution处双击鼠标左键,进入CFX求解模块,如图1-1-11所示。对1区采用默认设置(说明:本例不需要设置Double Precision,双精度一般用于域尺寸很大、网格纵横比较大、边界条件差异较大等计算,以保证细节参数足够精确。本例选中Double Precision复选框是为了方便进行计算精度对比),2区对Initial Values采用默认设置(说明:该处与分析设置定义的初始值匹配,对于稳态分析,并不需要必须设定初始值,但是设定合理的初始值对于计算收敛有帮助),Initialization Option选项中的4个选项依次为Automatic(尽量不要使用)、Cached Solution Data、Current Solution Data、Initial Conditions(建议优先使用),最后单击Start Run,即进行计算。

图中显示为T-Energy的均方根残差收敛曲线,在图表中右击,在出现的3区菜单中选择Monitor Properties,在弹出的对话框中可插入各种残差收敛曲线;单击4区New Monitor图标,Type选择Plot Monitor,还可以插入其他检测图形,因为热分析中最为重要的是热能不平衡值(Imbalance),所以必须输出。由5区数据可知,边界条件1为热量输出(对流散热),其值为1192.3 J;边界条件2为热量输入(加载热流),其值为1200 J(1200 W×1 s,稳态单位时间),因为热分析必须遵守能量守恒原则,所以本次计算差值为7.6451 J,不平衡值为7.6451/1200=0.6371%(能量差值除以能量输入总量)。

说明: 1-1-11

图1-1-11 CFX求解设置

CFX收敛说明

CFX以迭代残差达到某一设定值作为收敛判定的依据。迭代残差是指相邻两次迭代计算之间同一物理量的差值,相关概念可参考《ANSYS Workbench有限元分析实例详解(静力学)》。因为固体热分析只以能量残差进行收敛判定,所以计算到低于图1-1-10中定义的Residual Target为1E−4时即完成计算,并不完全遵守设定的最大迭代步数。

在D4 Results处双击鼠标左键,进入CFX后处理模块,如图1-1-12所示。首先为了温度读数方便,在1区依次单击Variables→Temperature,在Units下拉列表框中选择C,即采用℃单位;在2区右击User Locations and Plots,使用快捷菜单中的命令插入Contour 1,如图设置后,可得上平面温度为627.69℃,下平面温度为623.56℃。

说明: 1-1-12

图1-1-12 CFX后处理模块

8.Fluent热分析之划分网格

在E3处双击鼠标左键,进入Mesh划分网格。由于网格和命名选择设置已经完成,仅需要将Solver Preference修改为Fluent(以Fluent求解器进行CFD计算),如图1-1-13所示。

说明: 1-1-13

图1-1-13 Fluent网格划分

9.Fluent热分析设置

在F2 Setup处双击鼠标左键,保持默认设置,单击Start进入Fluent分析模块,如图1-1-14所示。建议此刻回到图1-1-2所示的热分析流程界面进行存盘设置,如此可以保证临时存取文件不占用系统盘空间。在1区单击Units按钮,在弹出的Set Units对话框中修改温度单位为℃;在2区右击Energy,在弹出的快捷菜单中选择On(开启能量模型,热分析必须设置);为设置方便,不必新建材料,直接修改软件默认材料的参数,在3区双击Materials→Solid→aluminum,修改Thermal Conductivity为60.5 W·m −1 ·K −1 (与题设参数匹配);在4区展开Cell Zone Conditions,右击默认模型,在弹出的快捷菜单中选择Type→Solid(将域设置为固体,且采用软件默认的固体材料Aluminum参数),其余均为默认设置。

说明: 1-1-14

图1-1-14 Fluent分析设置(1)

如图1-1-15所示,在Boundary Conditions→wall项中依次双击convection、heatflow和wall(依据命名选择自动创建边界条件项),在5区中Thermal选项卡的Convection处将Heat Transfer Coefficient设置为80 W·m −2 ·K −1 (与题设参数匹配),Free Stream Temperature设置为25℃(与题设参数一致);在6区中将Thermal选项卡中的Heat Flux设置为48075.7 W·m −2 (为保证精度,采用稳态热分析计算结果数值);在7区中将Thermal选项卡中的Heat Flux设置为0 W·m −2 。其余全部采用默认设置。

说明: 1-1-15

图1-1-15 Fluent分析设置(2)

相关选项说明

Fluent的两种求解类型分别为Pressure-Based和Density-Based,其中Pressure-Based(压力基)主要适用于计算0~3马赫范围的大部分工程问题;Density-Based(密度基)主要用于大于3马赫的工程问题,或者冲击波相互作用等特定工况条件。

Fluent热边界条件共有7种,其中Heat Flux(热通量)、Temperature(温度)、Convection(对流)与Mechanical热分析和CFX边界条件一致;Radiation(辐射)类型在第3章详细描述;Mixed(混合)类型合并了对流和辐射条件;Via System Coupling(通过系统耦合)用于在ANSYS Workbench中Fluent与其他模块进行系统耦合分析,即传输不在Fluent中定义的热分析参数;Via Mapped Interface(通过映射面)用于部件接触存在穿透或间隙时,自动创建映射面以传递热。

在边界条件中有Wall Thickness和Shell Conduction选项,其中Wall Thickness只需要定义厚度,不需要生成网格,热量只沿模型厚度的法向传递;Shell Conduction不仅定义厚度,还根据层数(layer)生成虚拟网格,热量可向任何方向传递,如图1-1-16所示。

(a)Wall Thickness

(b)Shell Conduction

图1-1-16 Wall Thickness和Shell Conduction选项的区别

10.Fluent热分析求解设置

如图1-1-17所示,双击1区Solution→Methods,设置求解方法,在Scheme处采用默认的SIMPLE法;双击2区Monitors→Residual,设置残差极限,设置energy的Absolute Criteria为1E−6;双击3区Initialization,进行初始化,采用默认的Hybrid Initialization法;双击4区Run Calculation,设置Number of Iterations为500。其余均保持默认设置。

说明: 1-1-17

图1-1-17 Fluent求解设置

相关选项说明

采用Pressure-Based求解器后,可以选择的算法有SIMPLE、SIMPLEC、PISO和Coupled,其中SIMPLE为默认算法,适用大多数不可压缩问题;SIMPLEC对于四边形和六面体网格模型更加有优势;PISO通常用于瞬态分析;Coupled的研究对象通常为可压缩流体或考虑浮力与结构运动耦合的不可压缩流体。

Fluent通过指定初始值来提高迭代计算稳定性并加速收敛。其中Hybrid初始化方法为Fluent默认的初始化方法,表现为所有单元初始值非均匀化;Standard初始化方法为最简单的方法,表现为所有单初始值均匀化。

与CFX类似,当能量残差低于定义的Energy的Absolute Criteria值(即1E−6)时即完成计算。

11.Fluent热分析后处理

如图1-1-18所示,右击1区Contours创建“contour-1”,在Contours of区域的下拉列表框中分别选择Temperature和Static Temperature,在Surfaces下方选择convection、heatflow和wall,再单击Compute按钮,即可得到最高温度为630.12℃,最低温度为625.79℃ ;双击2区Reports→Fluxes,在Flux Reports对话框中选中Total Heat Transfer Rate单选按钮,同样选择convection、heatflow和wall,再单击Compute按钮,即可得到输入和输出热功率,以及两者的差1.91 W。

12.计算误差分析

以上3个模块的计算采用了同样尺度的网格,基本均保持默认设置,3个模块的计算结果对比如表1-1-2所示。

说明: 1-1-18

图1-1-18 Fluent后处理设置

表1-1-23个模块的计算结果对比

由表1-1-2可知,3个模块的计算误差均小于1%,导致误差的原因是计算时输入和输出的热量不平衡。其中Mechanical模块的精度最高,如果去除输入数值误差,其与理论计算值一致,Fluent模块的精度其次,CFX模块的精度最低,但是不能就此简单地评价3个模块的计算精度。原因有二:其一,Mechanical和CFD(含Fluent和CFX)模块的比较应该考虑算法和机时对精度的影响;其二,CFD模块默认设置不同导致精度差异。

下面以不修改CFD迭代步数为条件,仅修改CFD相关默认设置,继续对比。

注意

对于所有已求解完成的流体分析模型,在重新导入外部设置前,都建议右击Solution,在出现的快捷菜单中选择Clear Generated Data,否则容易出现冗余设置。

在D2 Setup处双击,进入CFX设置项,在Solver Control项中修改Residual Target参数1E−4为1E−6,这样才与Fluent计算中定义Energy的Absolute Criteria为1E−6相匹配。重新计算,如图1-1-19所示,在图表中右击,在弹出的快捷菜单中选择Monitor Properties,在弹出的对话框中选中IMBALANCE→Domain 1→T-Energy Imbalance(%)In Domain 1,还可监控不平衡值曲线,其最终输入和输出能量不平衡值为0%;查看后处理结果可知上平面温度为629.92℃,下平面温度为625.95℃,该结果与Mechanical模块的计算结果一致。

注意

因为设定的能量收敛残差为1E−6,所以整个计算过程残差均大于设定值,虽然没有实现规定的残差收敛,但是仍按图1-1-10定义的Max. Iteration为200完成计算。对于此类热分析,以不平衡值作为收敛的判定标准,即要求输入和输出能量平衡。

说明: 1-1-19

图1-1-19 CFX相关设置

在F2 Setup处双击鼠标左键进入Fluent设置项,双击Solution→Methods,在弹出的对话框中的Scheme处将SIMPLE修改为Coupled,软件会自动选中Pseudo Transient,这样才与CFX的耦合求解器相匹配。重新计算6步即收敛,如图1-1-20所示,查看后处理结果可知上平面温度为629.89℃,下平面温度为625.43℃,输入和输出热功率相差1.74 W,计算精度高于默认的SIMPLE算法。

说明: 1-1-20

图1-1-20 Fluent相关设置

对比两者结果可知,CFX计算误差已经可以忽略不计,Fluent仍然存在很微小的误差,但是即便CFX在70余步(以不平衡值判定)达到收敛,计算所需机时仍长于Fluent。

如何提高CFX的计算效率?

(1)修改Timescale参数

如图1-1-21所示,双击Solver→Solver Control,在弹出的对话框的Solid Timescale下拉列表框中选择Physical Timescale,将Solid Timescale设置为10000 s,注意Residual Target依然采用默认的1E−4,重新计算3步即收敛,输入和输出能量不平衡值为0.0314%;查看后处理结果可知上平面温度约为630.00℃,下平面温度约为625.87℃,与理论值相比误差约为0.012%。

说明: 1-1-21

图1-1-21 CFX相关设置(1)

注意

Solid Timescale默认为100 s,对于固体热分析该参数都适用,该值较小,使计算趋势更容易收敛,但所需机时更长;如果该值较大,使计算趋势更容易发散,但所需机时更短,对于固体热分析可以设置500~1000 s以加快收敛。本例设置为10000 s仅仅为了对比清晰,实际分析时不建议采用。

(2)修改Conservation Target参数

如图1-1-22所示,双击Solver→Solver Control,在弹出的对话框中选中Conservation Target复选框,Value设置为0.0001,注意Solid Timescale默认为Auto Timescale,Residual Target默认为1E−4,重新计算20步即收敛,输入和输出能量不平衡值为0.0068%(0.0068%<0. 01%,以不平衡值为收敛目标);查看后处理结果可知上平面温度为629.90℃,下平面温度为625.92℃,与理论值相比误差约为0.0015%。

说明: 1-1-22

图1-1-22 CFX相关设置(2)

注意

该选项以不平衡值为收敛目标,精度和速度都可以很好地满足计算要求,建议选用。此外,Timescale项可以与Conservation Target项同时设置,但Timescale项优先级别更高。

如何提高Fluent的计算精度?

(1)修改Solution Controls的Energy参数

如图1-1-23所示,双击Solution→Methods,在弹出的对话框中将Scheme选择为Coupled并选中Pseudo Transient项,然后双击Solution→Controls,在弹出的对话框中将Energy设置为1,重新计算4步即收敛,输入和输出能量不平衡值为0.0319;查看后处理结果可知上平面温度为630.01℃,下平面温度为625.85℃,与理论值相比误差约为0.015%。

说明: 1-1-23

图1-1-23 Fluent相关设置(1)

注意

此处表示采用Pressure-Based求解器时,通过调整亚松弛因子控制收敛,该参数意义为相邻两次迭代计算时某物理量变化的大小。通过对比图1-1-20可得,迭代次数较之前少了两步即可收敛,但计算精度相差无几。这是因为最终的收敛解与亚松弛因子无关,该参数只调整收敛所需的迭代次数。对于稳态固体传热,可以设为1以提高收敛效率。

(2)修改Solid Time Scale的Pseudo Time Step参数

如图1-1-24所示,保留Solution Methods对话框的设置,双击Solution→Controls,在弹出的对话框中将Energy设置为0.75,修改Run Calculation对话框中Solid Time Scale区域的Time Step Method为User-Specified,Pseudo Time Step设置为100000,重新计算6步即收敛,输入和输出能量不平衡值为1.92;查看后处理结果可知上平面温度为629.79℃,下平面温度为625.33℃,与理论值相比误差约为0.019%。

注意

该项设置与CFX模块的Timescale参数设置几乎一致,区别为CFX模块中其默认值为100 s,Fluent模块中其默认值为1000 s,按照图1-1-21设置统一放大100倍后,Fluent的计算精度并没有显著提升。

同理修改Solid Time Scale的Time Scale Factor参数。如图1-1-25所示,保留之前设置,在Run Calculation对话框中设置Solid Time Scale的Time Scale Factor为100,重新计算6步即收敛,输入和输出能量不平衡值为1.74;查看后处理结果可知上平面温度为629.89℃,下平面温度为625.43℃,与理论值相比误差约为0.009%。

说明: 1-1-24

图1-1-24 Fluent相关设置(2)

说明: 1-1-25

图1-1-25 Fluent相关设置(3)

注意

通过调整该值可以略微提高精度,一般设置为5倍进行调试,数值定义较大不能再提高精度,而且会使计算趋势发散。本例定义为100仅仅为了清晰对比,实际分析时不建议采用。

综上所述,对于CFD固体稳态热分析,CFX模块可以通过修改收敛残差、修改Solid Time Scale值、以不平衡值为收敛目标等方法提高计算精度和效率;Fluent模块与CFX模块基本类似,但是由于两者默认初始值不同,计算精度和效率略有差异。此外,CFX模块的很多选项需要使用者调整,而Fluent模块由于在历次升级中更新频繁,其默认选项基本不需要过多修改。当然,提高精度最直接的方法就是在控制收敛残差尽量小的情况下增加迭代步数。 ziYMmf+Zq4sZd+aZG1Bnsuh0Oo6aFlXVtJ5WQASIZGuoum71R4uRflx1XHA03RaM

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