ANSYS-CFD-Multiphase-多物理场耦合分析
ANSYS软件中耦合场分析方法及应用
ANSY S 软件中耦合场分析方法及应用王永新Ξ(黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450003)摘 要:在水工结构计算中,大型通用商务有限元软件ANSY S 得到了广泛应用。
文章主要是介绍ANSY S 耦合场分析方法,以实例介绍耦合场分析的基本过程,并对不同的耦合方法进行比较,说明其各自适用的范围和特点。
关键词:ANSY S ,有限元,耦合场中图分类号:TP39117 文献标识码:B 文章编号:1006-3951(2006)04-0032-03 随着计算机软硬件技术的迅速发展,大型通用商务ANSY S 在水工结构计算中应用的比较多,该软件不仅可进行静力、动力、流体、温度、结构优化等有限元计算,还可对不同的物理场进行耦合分析。
下面介绍使用ANSY S 耦合场方法对大坝进行温度应力场的仿真分析及一个流—固耦合的实例,简述耦合场分析方法的基本过程,与大家共同学习。
1 耦合场分析概述耦合场分析是指考虑了两个或多个工程物理场之间相互作用的分析。
在水电工程中,同一个建筑物或构筑物多是承受多个物理场同时作用的。
例如混凝土坝,在施工期不但要考虑其温度场同时还要计算其由于温度荷载等产生的应力场,在运行期还要考虑水流对大坝产生的作用。
因此要进行热—应力耦合分析、流体—结构耦合分析等。
耦合场分析依赖于所耦合的物理场,具体有两大类,即顺序耦合和直接耦合。
顺序耦合包括两个或多个按一定顺序排列的进行分析,为每一种属于某一物理场分析。
即通过将前一个物理场分析的结果作为载荷施加到第二个物理场分析中的方式进行耦合,适用于多场的非线性程度不是很高的情况;直接耦合只包含一个分析,它使用包含多场自由度的耦合单元进行直接计算,适用于耦合场之间具有高度非线性的相互作用时。
由于顺序耦合中每种分析是相互独立的,其应用更有效也更灵活,如在热—应力耦合分析中,可以先进行瞬态或稳态热分析,然后进行结构应力分析。
可以将热分析中任一载荷步或时间的节点温度作为体载荷施加到结构应力分析中。
ansys多物理场耦合技术和方法
ANSYS是一种广泛应用于工程领域的仿真软件，它提供了多物理场耦合分析的能力，用于模拟和解决多个物理现象相互作用的问题。
以下是ANSYS多物理场耦合技术和方法的一些常见应用：1. 结构-热耦合（Thermo-Structural Coupling）：这种耦合方法用于分析结构在热载荷下的变形和应力响应。
它可以考虑热传导、热辐射、温度梯度等对结构性能的影响，并通过结构和热传导方程之间的相互作用来解决这些问题。
2. 结构-电磁耦合（Electromagnetic-Structural Coupling）：这种耦合方法用于研究结构在电磁场作用下的响应。
它可以考虑电磁场的电流、磁场、电磁感应等对结构的影响，并通过结构和电磁场方程之间的相互作用来解决这些问题。
3. 流体-结构耦合（Fluid-Structure Interaction, FSI）：这种耦合方法用于模拟流体和结构之间的相互作用。
它可以考虑流体力学中的压力、速度、湍流、流体-固体界面等对结构的影响，以及结构对流体的阻力、振动等反馈作用。
4. 流体-热耦合（Fluid-Thermal Coupling）：这种耦合方法用于模拟流体和热传导之间的相互作用。
它可以考虑流体在流动过程中的热对流、辐射等对热传导的影响，以及热传导对流体温度分布的影响。
5. 电磁-热耦合（Electromagnetic-Thermal Coupling）：这种耦合方法用于模拟电磁场和热传导之间的相互作用。
它可以考虑电磁能量的吸收、热产生和热扩散等对系统温度分布的影响，以及温度对电磁特性的影响。
以上只是ANSYS多物理场耦合技术和方法的一些例子，实际中还有其他类型的耦合分析，如声-结构耦合、声-流体耦合等。
通过使用这些耦合技术和方法，工程师可以更准确地模拟和分析不同物理场之间的相互作用，从而更好地优化设计和解决实际问题。
ANSYS多物理耦合场有限元分析详细步骤操作
T
T thermalgradient in direction n n
q*
dT dn
n
• 负号表示热量沿梯度的反向流动 (例如, 热量从热的部分流向冷的部分).
ANSYS律得出:
q* hf (TS TB ) heat flow rate per unit area betweensurfaceand fluid Where, hf convectivefilm coefficient TS surfacetemperature TB bulk fluid temperature
3
4. 用图形选取或输入点号的方法
1
4
确定要建立初始温度的节点。
5. 单击 OK.
2
注: 当手动或借助于输入文件输入
IC命令时，可以使用节点组元名来
区分节点。
5
ANSYS热分析
非均匀初始温度 (续)
6 7
8
6.选择 DOF 标记 “TEMP”。 7. 指定初始温度数值。 8. 完成后单击OK。单击APPLY
ANSYS热分析
热传递的类型
• 热传递有三种基本类型:
– 传导 - 两个良好接触的物体之间或一个物体内部不 同部分之间由于温度梯度引起的能量交换。
– 对流 - 在物体和周围流体之间发生的热交换。 – 辐射 - 一个物体或两个物体之间通过电磁波进行的
能量交换。
• 在绝大多数情况下，分析的热传导问题都带有 对流和/或辐射边界条件。
• 对流一般作为面边界条件施加
TB
Ts
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热力学第一定律
• 能量守恒要求系统的能量改变与系统边 界处传递的热和功数值相等。
ANSYSapdl命令流笔记16-------耦合场分析基础
ANSYSapdl命令流笔记16-------耦合场分析基础耦合场分析概述前⾔耦合场分析，也称为多物理场分析，分析不同的物理场的相互作⽤以解决⼀个全局性的⼯程问题。
例如，当⼀个场分析的输⼊依赖于从另⼀个分析的结果，那么分析就会被耦合。
耦合⽅式有：单向耦合：前⼀个分析的结果作为载荷施加给下⼀个分析，⽽下⼀个分析的结果不会影响前⼀个场的分析结果。
例如，在热应⼒问题中，温度场会在结构场中引⼊热应变，但是结构应变通常不会影响温度分布。
因此，⽆需在两个现场解决⽅案之间进⾏迭代。
双向耦合：两个物理场的结果会相互影响。
例如，⾮线性材料的感应加热中，谐波电磁分析计算出焦⽿热，该热在瞬态热分析中⽤于随时间变化的温度解，⽽温度的变化会反过来影响电磁场材料属性的变化，从⽽改变电磁分析结果。
⼀、耦合场分析类型1.直接耦合场分析直接⽅法通常只包含⼀个分析，它使⽤⼀个包含所有必需⾃由度的耦合单元类型，通过计算包含所需物理量的单元矩阵或单元载荷向量的⽅式进⾏耦合。
具有直接耦合功能的单元有：SOLID5 ---------3-D 耦合场实体单元 (电磁矩阵的推导，耦合效应)PLANE13---------⼆维耦合场实体单元 (电磁矩阵的推导，耦合效应)FLUID29 ---------⼆维声学流体 单元(声学矩阵的推导)FLUID30 ---------3-D 8 节点声学流体单元 (声学矩阵的推导)LINK68------------热电耦合杆单元SOLID98----------四⾯体耦合场实体单元 (电磁矩阵的推导，耦合效应)FLUID116---------热流体耦合管单元CIRCU124--------电路单元TRANS126-------机电转换器单元(电容计算，耦合机电⽅法)SHELL157--------热电耦合壳单元FLUID220---------3-D 20 节点声学流体单元FLUID221---------3-D 10 节点声学流体单元PLANE222--------⼆维 4 节点耦合场实体单元PLANE223--------⼆维 8 节点耦合场实体单元SOLID226---------3-D 20 节点耦合场实体单元SOLID227---------3-D 10 节点耦合场实体单元PLANE233--------⼆维 8 节点电磁耦合单元(电磁矩阵的推导，电磁场评估)SOLID236--------3-D 20 节点电磁耦合单元(电磁矩阵的推导，电磁场评估)SOLID237--------3-D 10 节点电磁耦合单元(电磁矩阵的推导，电磁场评估)优点：1.允许解决通常的有限元⽆法解决的问题。
ANSYS 高级技术分析：耦合场分析定义
ANSYS非线形分析指南基本过程第四章耦合场分析耦合场分析的定义耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了两种或者多种工程学科物理场的交叉作用和相互影响耦合例如压电分析考虑了结构和电场的相互作用它主要解决由于所施加的位移载荷引起的电压分布问题反之亦然其他的耦合场分析还有热-应力耦合分析热-电耦合分析流体-结构耦合分析磁-热耦合分析和磁-结构耦合分析等等耦合场分析的类型耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是由哪些场的耦合作用但是耦合场的分析最终可归结为两种不同的方法序贯耦合方法和直接耦合方法序贯耦合解法序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分析它是通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场的耦合的例如序贯热-应力耦合分析是将热分析得到的节点温度作为体力载荷施加在后序的应力分析中来实现耦合的直接耦合解法直接耦合解法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果在这种情形下耦合是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的例如利用单元SOLID5PLANE13或SOLID98可直接进行压电分析何时运用直接耦合解法或序贯耦合解法对于不存在高度非线性相互作用的情形序贯耦合解法更为有效和方便因为我们可以独立的进行两种场的分析例如对于序贯热-应力耦合分析可以先进行非线性瞬态热分析再进行线性静态应力分析而后我们可以用热分析中任意载荷步或时间点的节点温度作为载荷进行应力分析这里耦合是一个循环过程其中迭代在两个物理场之间进行直到结果收敛到所需要的精度直接耦合解法在解决耦合场相互作用具有高度非线性时更具优势并且可利用耦合公式一次性得到最好的计算结果直接耦合解法的例子包括压电分析伴随流体流动的热传导问题以及电路-电磁场耦合分析求解这类耦合场相互作用问题都有专门的单元供直接选用第1页。
ANSYSCFD软件介绍——石油天然气管道局
ANSYSCFD软件介绍——石油天然气管道局ANSYS CFD是一种基于数值计算的工程仿真软件，能够对流体的流动、传热、传质等现象进行模拟和分析。
它利用Navier-Stokes方程和其它相关数学模型，通过离散化将连续的物理过程转化为离散的计算问题，然后利用高性能计算机进行求解。
ANSYS CFD软件提供了强大的建模和仿真工具，能够精确地模拟和分析各种复杂的流体流动问题，包括内部流动、外部流动、湍流、多相流、传热等现象。
1.强大的前后处理功能：ANSYSCFD软件提供了丰富的建模和网格生成工具，用户可以方便地创建各种复杂的几何模型，并自动生成适应性网格。
此外，软件还提供了直观的后处理工具，可以用于可视化仿真结果、生成报告以及进行参数优化。
2.多物理场的耦合分析：ANSYSCFD软件支持多个物理场之间的耦合分析，可以模拟和分析流体流动、传热、传质等多种现象的相互作用。
例如，在石油天然气管道局中，可以通过ANSYSCFD软件模拟管道中的气体流动、石油液体混合物的流动以及换热过程，以评估管道的安全性和性能。
3.多种物理模型和数值方法：ANSYSCFD软件提供了多种物理模型和数值方法，可根据具体问题选择合适的模型和方法。
例如，对于湍流流动，可以选择k-ε模型、RNGk-ε模型、SSTk-ω模型等，并使用合适的离散化方法求解。
4.丰富的边界条件：ANSYSCFD软件支持多种边界条件的设定，包括壁面摩擦、入口边界条件、出口边界条件等。
用户可以根据实际情况设置合适的边界条件，以准确模拟并预测流体流动的行为。
5.可扩展性和并行计算：ANSYSCFD软件利用并行计算技术，可以充分利用多核处理器和集群计算机的性能，提高计算效率和准确性。
软件还提供了可扩展的模型库和算法，可以模拟各种复杂流动问题。
在石油天然气管道局中，ANSYSCFD软件可以应用于多个方面，例如：1.管道设计和优化：通过ANSYSCFD软件的模拟和分析功能，可以评估不同管道几何形状、流体输送方案对流量、压力损失、换热效率等参数的影响，从而优化管道设计。
ANSYS分析指南精华：耦合场分析
第四章耦合场分析耦合场分析的定义耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了两种或者多种工程学科（物理场）的交叉作用和相互影响（耦合）。
例如压电分析考虑了结构和电场的相互作用：它主要解决由于所施加的位移载荷引起的电压分布问题，反之亦然。
其他的耦合场分析还有热-应力耦合分析，热-电耦合分析，流体-结构耦合分析，磁-热耦合分析和磁-结构耦合分析等等。
耦合场分析的类型耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是由哪些场的耦合作用，但是，耦合场的分析最终可归结为两种不同的方法：序贯耦合方法和直接耦合方法。
序贯耦合解法序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分析。
它是通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场1的耦合的。
例如序贯热-应力耦合分析是将热分析得到的节点温度作为“体力”载荷施加在后序的应力分析中来实现耦合的。
直接耦合解法直接耦合解法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型，仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果。
在这种情形下，耦合是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。
例如利用单元SOLID5，PLANE13，或SOLID98可直接进行压电分析。
何时运用直接耦合解法或序贯耦合解法对于不存在高度非线性相互作用的情形，序贯耦合解法更为有效和方便，因为我们可以独立的进行两种场的分析。
例如，对于序贯热-应力耦合分析，可以先进行非线性瞬态热分析，再进行线性静态应力分析。
而后我们可以用热分析中任意载荷步或时间点的节点温度作为载荷进行应力分析。
这里耦合是一个循环过程，其中迭代在两个物理场之间进行直到结果收敛到所需要的精度。
直接耦合解法在解决耦合场相互作用具有高度非线性时更具优势，并且可利用耦合公式一次性得到最好的计算结果。
直接耦合解法的例子包括压电分析，伴随流体流动的热传导问题，以及电路-电磁2场耦合分析。
求解这类耦合场相互作用问题都有专门的单元供直接选用。
3。
ANSYS Multiphysics
多物理场应用实例
● 流固耦合 - 汽车燃料喷射器，控制阀，风扇，水泵 - 航天飞机机身及推进系统及其部件 - 可变形流动控制设备，生物医学上血流的导管及阀门，人造心脏瓣膜 - 纸处理应用，一次性尿布制造过程 - 喷墨打印机系统
● 压电应用 - 换能器，应变计，传感器 - 麦克风系统 - 喷墨打印机驱动系统
在ANSYS Workbench平台中对短路母排进行热电耦 合分析（短路电流为150kA，材料属性与温度有关）
射频MEMS开关静电－流体－结构耦合分析模型 （左上角为压力分布，右上角为位移分布）
ANSYS多场求解器
A N S Y S多物理场求解器使用户能够使用自动序列耦合的方式将多个单 物理场模型耦合到统一的仿真分析中，从而求解多物理场的问题。在求解过 程中的每个时间点，每个物理学科顺序求解并得到学科之间的收敛结果，学 科之间的这种反复耦合迭代，ANSYS多物理场求解器使用起来都很简便。 ANSYS多物理场耦合基于用户化定制进程间的数据交换流程，不需要第三 方耦合软件。
ANSYS多物理场方案带来的好处
ANSYS公司处于CAE行业领先地位，其多物理场解决方案能够提供高 保真仿真，足以应付今日苛刻的产品开发要求所带来的挑战。ANSYS多物 理场解决方案提供了软件产品组合，能够为分析人员提供强大的仿真工具来 解决业界最棘手的多物理场问题。多物理场带来更多好处： ● 针对所有物理场的高品质求解器：结构力学、热传递、流体流动和电磁场 ● 统一的多物理场仿真环境 ● 全参数化分析，支持针对多物理场的实验设计、鲁棒设计和优化设计 ● 快速高效、符合现实
ANSYS Multiphysics 0101
ANSYS Multiphysics
多物理场仿真——ANSYS独特技术
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Release 14.0
Free Surface Flows
• 例子
– 两个连续相 – 浇模(Mold filling) – 溃坝(Dam break) – 注油(Filling of a gasoline tank) – 液面晃动(Sloshing of a surface in a container) – 明渠流动(Open flow in a channel) – 处理方法:homogeneous , 相和相之间分享同样
• Power Generation – Droplet combustion – Coal combustion – Condensation & boiling – Fuel cells – Cavitation
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• Oil and Gas – Oil wells – Pipelines
• 在微尺度(分子)上的混合用质量分数的方法模拟(多组分流方法).
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Release 14.0
Continuous-Dispersed Multiphase
•一相是离散粒子(discrete particles), 液滴(droplets), 或空泡(bubbles)散 布在连续相中 • 例如:
(annular flow). • 模拟对不同区域(regimes)相间相互
作用的方法, (drag laws, interfacial area, etc.) 可能大不相同 • 模型的选择, 经验很重要!
Gas-Liquid Flow in a Vertical Pipe
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Release 14.0
Modeling Approaches
多相流模拟的两个基本方法:
• Eulerian-Eulerian
– 两相之间连续的相互作用. 假定相由流体计算域流出. – 一般来说, 每个相的体分数和流场变量单独求解. – 每个Eulerian dispersed phase具有单一直径的特征. 用标准的欧拉方法模拟三种不同
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Release 14.0
Multiphase Applications
• Chemical and Process Industry – Gas cleaning – Fluidized bed reactors – Bubble columns – Polymer production – Mixers – Dryers
–雨: air + water (droplet flow) –软饮料: Liquid + bubbles (bubbly flow) –泥浆: Water + sand (particulate flow) –含尘空气: (particulate flow) –一液体里含有不能融合的另一种液滴, 如. 醋里的油滴.
大小的空气泡泡在水中的分布情况, 需要四相的欧拉方法进行计算
• Environment – Fog – Rain – Erosion – Emission
• Biomedical – Blood flows – Eyes – Lungs
Release 14.0பைடு நூலகம்
Examples of Multiphase Flows
• Horizontal Bubble Reactor (Bubbly Flow)
的速度和场变量(volume fraction除外）
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Different Multiphase Flow Regimes
• 多相流(MPF)没有一个统一模型!
• 右图中的多相流在气体流量逐渐增 加的情况下，从左到右有在连续相 中分布均匀的空泡流, 到节涌流 (slug flow, 又名活塞流 ), 到环状流
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Examples of Multiphase Flows
• Cavitation (Phase Change)
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Lecture 6 ANSYS CFD Multiphase
Introduction to ANSYD CFD
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Multiphase in ANSYS CFX
Introduction to ANSYD CFD
Examples of Multiphase Flows • Free Surface Flow (Dam Break)
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Examples of Multiphase Flows • Injection and Breakup of Liquid Droplets from a Nozzle
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Multiphase Flows
• 多相流模拟指.
– 含有超过一种流体 – 每种流体由其自有流场变量描述
(u, v, w, p, r, T)
• 相或流体之间在微观层面上是混合的. 混合尺度小雨求解尺度, 但大于分子 尺度.
•若在空间上不连续, 则该相为离散相. 否则为连续相. • 允许大的密度差存在 (rc/ rd=1000, rc/ rd=10-3) • 允许大差异的速度场. •通常的例子如空泡塔器 (bubble columns)和流化床(fluidized beds).
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