cfd-fea耦合培训教程

CFD_FEACFD_FEA耦合计算培训教程耦合计算培训教程耦合计算培训教程耦合计算培训教程耦合计算培训教程耦合计算培训教程耦合计算培训教程耦合计算培训教程2FigureNo.目的目的目的目的目的目的目的目的CFD分析和有限元分析相互提供分析和有限元分析相互提供分析和有限元分析相互提供分析和有限元分析相互提供更精确的边界条件更精确的边界条件更精确的边界条件更精确的边界条件3FigureNo.基础介绍基础介绍基础介绍基础介绍分析流程分析流程分析流程分析流程
使用CFD进行流场分析
将CFD得到的温度场和换热系数映射为做有限元分析的边界条件（瞬态计算程序自动进行时间平均）
有限元进行结构的温度场和热应力分析
可将有限元得到的壁面温度场转换为CFD的边界条件进行第二次迭代CFDSimulationCFDSimulationFEASimulationFEASimulationDataprocessingDataprocessingDataprocessingDataprocessingFEASimulationFEASimulationIterativeloop4FigureNo.CFD环境环境环境环境第一步第一步第一步第一步CFDCFDCFDCFD计算计算计算计算5FigureNo.第一步计算CFD的时候，建议此时不指定有限元网格只需指定输出频率Frequency即可。不激活这个选项FE和CFD网格单位的转化对应生成保存结果的htcc文件6FigureNo.CFD计算完之后会在Case目录下产生一个htcc文件，如下图，htcc文件中记录了每个输出频率上的近壁面温度和HTC7FigureNo.第二步第二步第二步第二步有限元模型的生成有限元模型的生成有限元模型的生成有限元模型的生成CFD计算中的流体网格将网格外表面抽取出来(Hypermesh中使用face命令将表面单元抽取出来，得到流固耦合连接面单元)流固耦合层的面网格(cube_surf)用来做CFD-FEM间mapping，这个网格可以为四边形单元或三角形单元（该面网格与CFD网格的密度和单元类型可不同）123有限元结构计算中的实体网格结构网格抽取出面网格，用来做mapping.该面网格输出前，节点/单元应顺序编号8FigureNo.第三步第三步第三步第三步MappingMappingMappingMapping1转化矩阵的生产转化矩阵的生产转化矩阵的生产转化矩阵的生产把上一步得到有限元模型导入到FIRE中，由于有限元建模时模型的定位坐标位置并不一定与CFD模型的坐标位置一致，如右图所示，在这种情况下不能直接进行mapping，因此，我们需要引入转化矩阵，其将有限元模型和cfd模型的空间位置关联起来，为下一步mapping做准备。如果有限元和CFD模型的空间位置完全相同，这步可以跳过不做。转化矩阵的生成步骤转化矩阵的生成步骤转化矩阵的生成步骤转化矩阵的生成步骤：1准备一个.dat文件，这个文件作为模板存放在AVL的安装目录下面AVL\FIRE\v2009\modules\fem_interface，如下图所示：用户需要据两个模型的实际位置关系修改这个文件，然后把它放在case文件夹下注：用户可以先在cfdwm里面使用modify这个工具，尝试修改模型位置，使两个模型处于同一个位置上，然后把相应的参数填入上述文件中（上述文件中的参数和modify中是对应的）9FigureNo.2用命令行生成转化矩阵文件注：-fem_input=后面要给处.dat文件的名称，-fem_output=后面要给出矩阵文件的名称。10FigureNo.计算结束后，会在case文件夹下生成矩阵文件（.mtx)，如下图所示:其中矩阵文件的名字是用户在前面输入命令行时自己定义的。11FigureNo.2Mapping：：：：程序自动将CFD计算得到近壁面的温度和HTC在时间上平均和空间上进行映射，赋给有限元软件作为边界条件。12FigureNo.保存之后开始计算，输入mapping的命令如下图所示：：：：13FigureNo.检查检查检查检查mappingmappingmappingmapping结果结果结果结果在mapping结束后会生成如上图所示的几个文件，其中三个.fl3文件是是用户用来检查mapping结果的三维结果文件，这一步不是必需的，但为了确保mapping正确，推荐大家先检查一下结果，具体做法如下所示：用有限元网格生成一个Newcase，然后把生成的fl3文件拷贝到这个case的文件夹下面，但要注意，要把fl3得名字改成和这个case的名字一样。然后从3dresults中把结果调入进来。14FigureNo.Mapping到有限元软件上的近壁面温度Mapping到有限元软件上的HTC两个模型间的距离15FigureNo.单元编号面单元法向温度换热系数生程的.inp文件才是在有限元计算中输入，作为其边界条件的文件，当选择映射到单元上时，Abaqus格式的热边界文件使用*film的形式，得到各个面网格上的温度与换热系数，如下图所示：注：对于不同的有限元模型，在mapping之后得到的边界条件的文件也有所不同，比如Abaqus模型，得到是一个.inp文件，而Nastran模型得到是两个.dat文件。16FigureNo.第四部第四部第四部第四部有限元软件的计算有限元软件的计算有限元软件的计算有限元软件的计算4123结构的有限元体网格如图所示，通常，有限元结构网格的单元密度比CFD网格疏，单元类型通常为四面体单元：*MATERIAL,NAME=Material-steel*CONDUCTIVITY,TYPE=ISO//导热51.08,20.035.7,600.0*SPECIFICHEAT//比热0.0048,0.0*DENSITY//密度7.8500E-09,0.0*ELASTIC,TYPE=ISOTROPIC//弹性模量202000.0,0.28,20.0200000.0,0.28,100.0189000.0,0.28,300.0167000.0,0.28,400.0*EXPANSION,TYPE=ISO//热膨胀系数1.2660E-05,20.01.2660E-05,200.0：有限元热场计算中，定义材料特性(随温度变化)，应包括以下方面(Hypermesh中为material命令)在进行热场计算中，有限元体网格的单元类型为DC3D8或DC3D10；面网格为DS3或DS4。定义体单元属性solidsection;定义面单元属性shellsection,厚度为0.001mm17FigureNo.将映射到面网格上的热边界条件与结构体网格通过MPC连接：1，定义面网格的节点集(set_node2d)2，定义体网格内部的节点集(set_node3d)注意：两节点集中的节点顺序要对应！3，定义体网格外部表面(surface_outer)注意：表面定义时使用基于单元的面4，通过MPC方式连接面网格和体单元节点间的温度自由度dof11（在inp文件中改）手工方式在inp文件中加入MPC：*Equation//mpc命令2//id号set_node3d,11,-1.//节点集，自由度，系数set_node2d,11,1.//节点集，自由度，系数56MPC18FigureNo.78910定义计算步，热载边界与输出控制：有限元热场计算步在前处理中定义，*STEP*HEATTRANSFER,END=PERIOD1.0,1.0,1.0000E-05,1.0流固层的热载边界定义：该例子中，管道内部CFD映射出的热边界在面网格上，在step计算步中，通过Include方式将边界条件文件关联起来，或者将其中内容拷贝至inp文件内。*FILM,OP=NEW21184,FPOS,82.328,0.794E-0121183,FPOS,82.466,0.802E-01……管道外表面(定义外表面surface_outer),施加30度均匀热场：*SFILMsurface_outer,F,30.,0.02同时定义计算结果的输出控制：*OUTPUT,FIELD*NODEOUTPUT,VARIABLE=ALL*ELEMENTOUTPUT,VARIABLE=ALL19FigureNo.提交ABAQUS计算，得到结构的热场计算结果1120FigureNo.可将结构体网格节点温度输出为rpt文件，将流固耦合层的节点温度取出，作为第二次CFD计算的边界，并导入fire中：1221FigureNo.第五步第五步第五步第五步FEM-CFD计算计算计算计算有限元软件计算完成之后，可以把得到的较为准确的壁面温度作为CFD计算的边界条件，再进行CFD的计算，其得到的T,HTC可以再次赋给有限元软件。上述过程模拟计算的精度得到了提高，但由于计算时间的考虑，一般工程上只做一个循环。激活inputFE-CFD,并把上一步有限元计算得到的壁面温度文件导入。22FigureNo.开始进行cfd的计算，从fla文件中可知，这次cfd计算的壁面边界条件来自于有限元计算得到壁面温度。。。。另外在计算完成之后，会按照如下的输出频率生成一些.inp文件，如下图所示：23FigureNo.：在每个输出频率上生成的.inp文件只是在空间上进行了平均，如果用户想把计算得到近壁面的T,HTC赋给有限元软件，那么用户要手动的进行时间平均（算术平均）。