本案例利用Fluent+Mechanical計(jì)算固體結(jié)構(gòu)物在流場(chǎng)作用下的熱應(yīng)力。

1 問(wèn)題描述

計(jì)算模型如圖所示。

金屬管道內(nèi)部及外部存在溫度不同的流體，管道內(nèi)部溫度在Mechanical中求解，其內(nèi)部壁面及外部壁面的溫度及壓力則從CFX中獲取。

其中Duct Inlet入口速度為0.5 m/s

溫度為400+100*sin(2*pi*t/25)

管道入口速度為0.5 m/s

溫度為400-100*sin(2*pi*t/25)

本案例采用如下圖所示的計(jì)算流程。

2  幾何處理

管道幾何采用外部導(dǎo)入，流體域幾何在DM中抽取。

• 如下圖所示，通過(guò)A2單元格導(dǎo)入幾何模型geom.agdb

• 右鍵選擇A2單元格，選擇菜單項(xiàng)Edit Geometry in DesignModeler…進(jìn)入DM模塊

導(dǎo)入的幾何模型如下圖所示。

• 在DM模塊中在管道外部創(chuàng)建一個(gè)尺寸為2*2*10 m的長(zhǎng)方體

• 利用菜單Create → Boolean對(duì)幾何體進(jìn)行布爾減運(yùn)算，最終得到幾何體如圖所示。

注：布爾運(yùn)算時(shí)保留固體幾何。

3 固體計(jì)算設(shè)置

• 鼠標(biāo)雙擊B5單元格Setup進(jìn)入Mechanical設(shè)置

3.1 幾何處理

• 選擇Geometry節(jié)點(diǎn)下子節(jié)點(diǎn)Fluid_Pipe及Fluid_Duct，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇彈出菜單項(xiàng)Suppress Body刪除流體計(jì)算區(qū)域幾何

• 選中節(jié)點(diǎn)Solid_Pipe，屬性窗口中指定其材料為Structural Steel，如下圖所示

3.2 網(wǎng)格劃分

• 右鍵選擇模型樹(shù)節(jié)點(diǎn)Solid_Pipe，點(diǎn)擊彈出菜單項(xiàng)Insert → Commands插入APDL命令

• 輸入命令et,matid,227,11

注：

• 默認(rèn)情況下Mechanical將實(shí)體模型指定為Solid單元，求解結(jié)果中并不包含溫度變量。本案例要計(jì)算溫度，則需要利用到結(jié)構(gòu)-熱耦合單元。

• 該命令將網(wǎng)格單元切換為227號(hào)單元，并設(shè)置KEYOPT為11。227號(hào)單元為結(jié)構(gòu)-熱耦合單元，該單元為四面體。若要?jiǎng)澐至骟w網(wǎng)格，則使用226號(hào)單元。

• 右鍵選擇模型樹(shù)節(jié)點(diǎn)Mesh，點(diǎn)擊彈出菜單項(xiàng)Insert → Sizing插入網(wǎng)格尺寸

• 如下圖所示，在屬性窗口中設(shè)置體網(wǎng)格尺寸為100 mm

• 右鍵選擇節(jié)點(diǎn)Mesh，點(diǎn)擊彈出菜單項(xiàng)Insert → Method插入網(wǎng)格生成方法

• 屬性窗口中設(shè)置Method為Tetrahedrons，如下圖所示

• 選擇管道的內(nèi)外壁面，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇彈出菜單項(xiàng)Insert → Sizing插入面網(wǎng)格尺寸

• 如下圖所示，指定Element Size為80 mm，指定Behavior為Hard

• 右鍵選擇模型樹(shù)節(jié)點(diǎn)Mesh，點(diǎn)擊彈出菜單項(xiàng)Generate Mesh生成網(wǎng)格

形成網(wǎng)格如下圖所示。

3.3 指定計(jì)算參數(shù)

• 點(diǎn)擊模型樹(shù)節(jié)點(diǎn)Analysis Settings，屬性窗口中如圖所示設(shè)置：Number of Steps = 1，Step End Time =50 s，Auto Time Stepping = Off，Define By = Substeps，Number of Substeps = 1，Time Integration = On

注：最終的計(jì)算時(shí)間以及時(shí)間步長(zhǎng)，由System Coupling定義。

3.4 指定約束

• 選擇管道兩個(gè)端面，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇彈出菜單項(xiàng)Insert → Displacement插入位移約束

• 如下圖所示，指定三個(gè)方向的位移均為0 mm

注：這里采用位移約束而不是固定約束。若剛才用Fixed Support約束，則這兩個(gè)面上不僅位移被約束為0，同時(shí)溫度也被約束為0 C。

3.5 指定流固耦合面

• 選擇管道及外壁面，圖形窗口中點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇彈出菜單項(xiàng)Insert → Fluid Solid Interface插入流固耦合面

• 選擇管道及內(nèi)壁面，圖形窗口中點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇彈出菜單項(xiàng)Insert → Fluid Solid Interface插入流固耦合面

3.6 設(shè)置環(huán)境溫度

• 選擇模型樹(shù)節(jié)點(diǎn)Transient，屬性窗口中設(shè)置Environment Temperature為26.85 C

注：這里設(shè)置溫度為26.85 C，表示在該溫度下熱應(yīng)力為0。

• 右鍵選擇模型樹(shù)節(jié)點(diǎn)Transient，點(diǎn)擊彈出菜單項(xiàng)Insert → Commands插入APDL命令mfou,5

注：該命令指定每5個(gè)時(shí)間步保存一次結(jié)果文件。本案例中未涉及到其他的熱邊界，若需要指定熱邊界，則可以在Transient節(jié)點(diǎn)中通過(guò)插入APDL命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。

• 關(guān)閉Mechanical，返回Workbench