ANSYS Workbench流-热-固多场耦合算法深度解析

目前，随着对产品的要求越来越多，单场载荷作用的响应，已经不能满足工程需求，所以多场耦合计算是必不可缺的，基于ANSYS Workbench可以实现结构场，流场，温度场，电场和磁场的耦合，具备解决复杂多场耦合的计算问题能力。本文主要探讨基于ANSYS Workbench平台的流-热-固多场耦合的算法。

完全耦合

完全耦合算法，也称为直接耦合算法。主要使用耦合场单元求解热-固的耦合计算，该算法的基本思想是在一个单元节点上拥有三个方向节点变形+一个温度自由度，共四个自由度，即{UX UY UZ T}，该方法主要解决热-固强耦合的问题，例如摩擦生热计算，塑性变形生热，粘性生热计算，这些问题中结构的变形与自身的温度场之间是相互的影响的。如图给出了SOLID226单元的示意图，该单元的基本形状为六面体，当然还有三种退化单元形状，建议在计算中避免使用退化形状，因为退化单元会降低求解精度。

图1 SOLID226单元示意图

图2 基于耦合场单元的求解模块

如图2所示，给出了热-固直接耦合的求解模块，图2中两个模块分别可以进行稳态和瞬态的热-固直接耦合计算。

迭代耦合

迭代耦合，主要通过两个不同的求解器完成不同场的变量求解，然后通过一个数据映射模块，再考虑场之间耦合的一种方法。该方法适用于流-固耦合计算，流-热耦合计算。该种方法，流体的求解主要通过Fluent完成，结构的求解可以使用结构模块或结构热模块，由用户的需求确定。场之间的数据交换模块称为系统耦合器，如图3所示。

图3 基于系统耦合器的迭代耦合计算

图4和5分别给出了基于系统耦合器的流固和流热耦合计算分析系统。流固耦合计算中，主要通过系统耦合器交换流体压力与结构变形数据，流热耦合计算中，主要基于对流换热计算公式进行数据交换。

图4 基于系统耦合器的流固耦合计算

图5 基于系统耦合器的流热耦合计算

如图6所示，给出了迭代计算过程中场之间的数据映射无误差曲线，默认的数据映射残差为1%。

图6 迭代计算过程中场之间的数据映射误差曲线

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