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14.5耦合实例4——Maxwell和FLUENT电磁热流耦合本章的实例1中讲解了Maxwell软件与Mechanical软件对电磁温度耦合分析的操作实例,但是在自然界中由于流体场的存在,所以结构的温度往往会受到流体流动的影响而使温升分布变得不再对称。本节将通过Maxwell软件与Fluent软件之间的耦合计算在有流体存在的情况下结构件在高频磁场下的涡流损耗值及温升分布情况。学习目标:熟练掌握Maxwell的建模方法及三维涡流分析的肌肤效应及求解过程;熟练掌握Fluent软件的损耗导入方法,同时掌握Fluent软件简单流体分析的一般步骤;熟练掌握Maxwell软件及Fluent软件电磁热流耦合的分析方法模型文件光盘\model\ThermaltoFluid.x_t结果文件光盘\char14\MagtoThemtoFluid.wbpj14.5.1问题描述如图14-164所示为一个几何模型,线圈通有频率为2500Hz大小为500A的电流(如图中剪头方向所示),在线圈的中心部位放置有一块材质为普通钢的钢块,钢块下方500mm处有有一通风口,风速为20m/s,温度为300K,钢块上方500mm处设置为自由出流。试分析钢块在上述工况下的温度场分布情况、风的流线图及风的温度分布云图。图14-164几何模型14.5.2软件启动与保存Step1:启动Workbench。如图14-165所示,在WindowsXP下单击“开始”→“所有程序”→ANSYS14.0→Workbench14.0命令,即可进入Workbench主界面。图14-165Workbench启动方法Step2:保存工程文档。进入Workbench后,单击工具栏中的按钮,将文件保存为“MagtoThemtoFluid”,单击GettingStarted窗口右上角的(关闭)按钮将其关闭。注意:本节算例需要用到ANSOFTMaxwell14.0软件,请读者进行安装;由于ANSOFTMaxwell软件不支持保存路径中存在中文名,故在进行文档保存时,保存的路径不不能含有中文字符,否则会发生错误。14.5.3导入几何数据文件Step1:创建几何生成器。如图14-166所示,在Workbench左侧Toolbox(工具箱)的AnalysisSystems中单击Maxwell3D并按住左键不放将其拖到右侧的ProjectSchematic窗口中,此时即可创建一个如同EXCEL表格的项目A。Step2:双击A2(Geometry)进入如图14-167所示的电磁分析环境,此时启动了Maxwell3D软件。图14-166项目AStep3:依次选择菜单Modeler→Import,在出现的ImportFile对话框中选择ThermaltoFluid.x_t几何文件,并单击打开按钮。图14-167电磁分析环境Step4:此时模型文件已经成功显示在Maxwell软件中,如图14-168所示,同时弹出ModalAnalysis对话框,在对话框左侧的栏中显示的几何图形为Good表示数据读取无误,单击Close按钮。图14-168读取的模型Step5:选中图中的外面的立方体几何,如图14-169所示,然后进行如下操作:选中外面的立方体,使其处于加亮状态;单击Properties栏中的Transparent后面的按钮;在弹出的对话框中将滑块从0位置移动到1的位置,这是外面的立方体几何将变成透明状态。图14-169设置透明度14.5.4求解器与求解域的设置Step1:设置求解器类型。如图14-170所示,选择菜单栏中的Maxwell3D→SolutionType…命令。Step2:在弹出如图14-171所示的SolutionType对话框中选择EddyCurrent(涡电流分析),单击OK按钮关闭SolutionType的对话框。图14-170设置求解器类型图14-171确定求解器类型14.5.5赋予材料属性Step1:赋予材料属性。在模型树中选择Box3模型名,单击右键在弹出的快捷菜单中选择AssignMaterial…命令,如图14-172所示,此时会弹出SelectDefinition对话框。Step2:在如图14-173所示的SelectDefinition对话框中选择Aluminum材料并单击“确定”按钮,此时模型树中Box3的上级菜单由NotAssigned变成Aluminum,求解域默认为真空Vacuum。图14-172赋予材料属性图14-173材料库Step3:同样,如图14-174所示,将Box4模型设置为steelstainless。图14-174材料库Step4:同样,如图14-175所示,将Box5模型设置为Vacuum。图14-175材料库14.5.6添加激励Step1:创建激励。单击键盘f键,然后用鼠标左键选择如图14-176所示一个端面,单击右键在弹出的快捷菜单中选择AssignedExcitation→Current命令。图14-176创建激励Step2:此时会弹出如图14-177所示CurrentExcitation对话框,在该对话框作如下输入:在Value中输入500;在后面的单位选项栏中选择A;在Type栏中选择Stranded,单击OK按钮,完成参数的设置。Step3:同样,将线圈另外一个端面也设置为500A的电流,与上面操作步骤不同之处为:此处的电流方向设置为子里向外的,如图14-178所示,此时只需单击SwapDirection按钮即可完成相应的操作。图14-177设置激励数值图14-178设置激励Step4:右键单击Box4,如图14-179所示,在弹出的快捷菜单中依次选择AssignExcitation→SetEddyEffects„命令,并勾选弹出的对话框中的Box4项,设置涡流效应。图14-179涡流设置Step5:选择Box4几何,右键单击ProjectManager→MeshOperation,在弹出如图14-180所示快捷菜单中依次选择Assign→OnSelection→SkinDepthBased„,在弹出的对话框中如图下设置:在SkinDepthBasedRefinement对话框中单击CalculateSkinDepth„命令;在弹出的CalculateSkinDepth对话框中的Frequency栏中输入2500,单位选择Hz,并单击OK按钮;在SkinDepthBasedRefinement对话框中单击OK按钮。图14-180集肤深度Step6:右键单击ProjectManager→Analysis,如图14-181所示,在弹出的快捷菜单中选择AddSolutionSetup命令,添加求解器。Step7:此时弹出如图14-182所示求解器设置对话框,选择Solve选项卡,在选项卡中作如下设置:在AdaptiveFrequency栏中输入2500,设置频率为2500Hz;勾选Usehigherordershapefunction选项,选择高级形函数;其余保持默认,单击确定按钮。图14-181添加求解器图14-182求解器设置14.5.7模型检查与计算通过上面的操作步骤,有限元分析的前处理工作全部结束,为了保证求解能顺利完成计算,需要先检查一下前处理的所有操作是否正确。Step1:模型检查。单击工具栏上的按钮出现如图14-183所示的ValidationCheck对话框,绿色对号说明前面的基本操作步骤没有问题。注意:如果出现了,说明前处理过程中某些步骤有问题,请根据右侧的提示信息进行检查。Step2:求解计算。右键单击ProjectManager中的Analysis→Setup1命令,在弹出的快捷菜单中选择如图14-184所示的Analyze命令,进行求解计算,求解需要一定的时间。图14-183模型检查图14-184求解模型14.5.8后处理Step1:显示磁场分布云图。求解完成后,选中几何模型树中的Planes→Global:XZ平面,单击右键在弹出如图14-185所示的快捷菜单中选择Field→H→Mag_H命令,此时将弹出CreateFieldPlot对话框。图14-185后处理操作Step2:在弹出如图14-186所示的CreateFieldPlot对话框中的Quantity中选择Mag_H,在InVolume中选择AllObject。并单击Done按钮如图14-186所示。图14-185选择后处理实体图14-186磁场分布云图Step3:同理操作如图14-187所示为磁场矢量图。图14-187磁场矢量图Step4:钢块的涡电流密度分布云图如图14-188所示。Step5:钢块损耗分布。选中Box4,单击右键在弹出的快捷菜单中依次选择Field→Other→Ohmic-Loss命令,如图14-189所示为Box4的损耗分布。图14-188涡电流密度分布云图图14-189后处理操作Step6:选择Maxwell3D→Fields→Calculator„,在弹出如图14-190所示计算器中作如下操作:单击Quantity按钮,在下拉列表中选择OhmicLoss选项;单击Geometry„按钮,在弹出的Geometry对话框中点选Volume,然后选择Box4选项,并单击OK按钮;单击∫按钮,最后单击Eval按钮进行计算,计算得到的损耗值为221.7w。图14-190总损耗值Step7:关闭Maxwell平台。14.5.9创建流体力学分析和数据共享Step1:回到Workbench窗口中,在如图14-191所示的表格A4(Solution)上单击右键,在弹出的快捷菜单中选择TransferDataToNew→FluidFlow(FLUENT)命令,此时会在A表的右侧出现一个B表,同时出现A4与B4连接曲线,这说明A4的结果数据可以作为B4的外载荷使用。图14-191创建耦合的流体动力分析模型Step2:几何模型数据读入。单击A2(Geometry)直接拖拽到B2(Geometry)栏中如图14-192所示。图14-192几何数据传递14.5.9DM中几何数据文件Step1:双击项目B中的B2(Geometry)进入如图14-193所示的流体分析环境,此时启动了DM软件。选择mm单位,并单击OK按钮。图14-193几何创建平台Step2:在DesignModeler平台的工具栏中单击按钮生成几何文件。Step3:此时模型文件已经成功显示在DM软件中,如图14-194所示,。Step4:抑制几何。单击Box3和Box5两个文件名,单击右键,在弹出的如图14-195所示的快捷菜单中选择SuppressBody命令。图14-194几何模型图14-195抑制几何模型Step5:创建流体域。单击工具栏中的Tools→Enclosure命令,在弹出的如图14-196所示的面板中作如下操作:在Shape栏中选择Cylinder选项,设置区域类型为圆柱;在CylinderAlignment栏中选择Z-Axis选项,设置圆柱方向为沿着Z轴;在FD1,Cushion„栏中输入50;在FD2,Cushion„栏中输入500;在FD3,Cushion„栏中输入500;在TargetBodies栏中选择SelectedBodies选项;在Bodies栏中选择实体,此时Bodies栏中显示1,表示一个实体被选中,其余默认即可,并单击工具栏中按钮完成流体域的创建,如图14-197所示。图14-196创建流体域图14-197流体域Step6:平面命名inlet。选择几何实体的左侧(Z坐标最小处)面,单击右键,在弹出的如图14-198所示快捷菜单中选择NamedSelection命令:在出现的DetailsView面板中的NamedSelection栏中输入inlet;在Geometry栏中单击Apply按钮,此时Geometry栏中出现1Face字样,表示一个面被选中;其余保持默认,单击工具栏中的按钮确定平面命名。图14-198inlet命名Step7:平面命名o
本文标题:Maxwell与Fluent电磁热流耦合分析
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