——基于ANSYS2021R1的热-流双向耦合和热-固单向耦合仿真方法

笔者最近（2022年3月初）在学习这个东西，苦恼于找不到相关案例（免费的教程~~~），然后摸索了一通，找到了一个正确的热流固耦合仿真方法。

一个设备，机械固体部件发热——热应力——热变形；于是，施加一个冷却装置，如冷却液流道——冷却液-机械固体部件换热冷却——热变形抑制。怎样进行这个过程的仿真呢？

大部分类似仿真案例是先在Fluent中跑流场的仿真，然后把结果导入到Thermal中计算温度场，最后把温度场加载在Structural中获得热变形场。这三个过程中前两个过程有问题，它没有实现流体与固体的换热，只是相当于给固体施加了一个热边界条件（实现冷却的效果），笔者称之为Fake热-流耦合仿真，其配置如图2所示。

从图2明显看出，冷却系统的效果只通过把流场仿真结果一次性传输到Thermal中，作为一个边界条件来计算温度场，这样的温度场很不准确，由此计算出的热变形就更不准确了。

利用System Coupling工具实现Fluent与Thermal之间的数据互通，才是正确的热-流耦合仿真，如图3所示。

把冷却液流道Wall作为流体耦合面，把固体流道内壁设置为System Coupling Region，就能利用System Coupling的Data Transfers实现Wall与System Coupling Region之间的温度、热流等物理量的耦合了，如图4所示，从而实现Fluent与Thermal同步计算。

其实温度场的计算所需要的边界条件可能与热变形场有关，例如热变形会改变摩擦面的工况，从而改变热源。但是，这种因素影响不大，传统的仿真方法可视为“半真”的热-固耦合仿真。然而需要注意，只有把热变形场-温度场的耦合关系考虑进去，才能实现真正的热-流-固耦合仿真。

笔者之前的ANSYS18.2好像无法从Thermal中设置出System Coupling Region，然而2021R1可。听说2022R1还有新的多物理场耦合仿真工具。因此，可以期待ANSYS的不断更新会带来更多、更准确的工程仿真途径。

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