双向流固耦合动态换热的分析方法.PDF

第 30 卷 第 6 期 应 用 力 学 学 报 Vol.30 No.6 2013 年 12 月 CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICS Dec. 2013 文章编号：1000- 4939(2013) 06-0894-05 双向流固耦合动态换热的分析方法 马富银 1 吴九汇 1 王广基 2 (1 西安交通大学机械工程学院 机械结构强度与振动国家重点实验室 710049 西安； 2 上海海基盛元信息科技有限公司 200235 上海) 摘要：为解决以往单向流固耦合方法难以实现动态物理量的传递以及强耦合方法中耦合方程解耦 困难等问题，获得了与实际情况较为吻合且可以选取优势求解器的双向流固耦合分析方法。本文 以发动机排气歧管的流固耦合换热分析为例，通过 MpCCI 双向流固耦合接口将有限元分析软件 Abaqus 与 CFD 软件 Fluent 进行连接，实现了动态数据交换的流固耦合传热分析；该方法与单向 流固耦合分析方法相比更能与实际相吻合，且不存在强耦合方法中的解耦困难问题。本文还针对 耦合计算的特点，提出了求解优化方案，此方案可以减少 CFD 软件多次的残差迭代中结构求解器 的低速求解所带来的时间损耗，本文的案例计算效率提高达 500% ，有效缩短了产品开发周期。 关键词：排气歧管；流固耦合；传热；MpCCI 中图分类号：TK124 文献标识码：A DOI ：10.11776/cjam.30.06.A046 固耦合换热过程进行了分析，主要实现了有限元计 1 引 言 算结果和 CFD 软件 Fluent 之间的单向耦合计算。 另外，文献[2]∼[6]对发动机缸盖和冷却水套之间的 流固耦合换热问题在工程实践中比较常见。以 流固耦合换热过程进行了研究，但基本上也都是属 汽车发动机为例，在其冷却换热系统和进排气系统 于单向耦合分析。 中，冷却水套和发动机缸盖、尾气和排气管等一系 近些年，已有文献从一定程度上实现了更为复 列部件之间均存在着复杂的流固耦合换热现象。在 杂的耦合分析，包括多相流固耦合换热问题[7] 、多 这些耦合问题中，流体和固体边界之间的温度处于 维耦合问题[8] [9] 、单一平台下的流固耦合分析 等。 动态交换之中，所以无法通过单一场进行求解。 在工程中，合理选择最佳求解器来求解单一物理场， 以往的研究通过Fluent 、Star-CD、CFX 等 CFD 最终实现耦合很有必要。所以鉴于以往单向耦合方 软件实现了与结构有限元软件之间的单向流固耦 法中难以实现动态物理量传递、强耦合方程解耦困 合，即将有限元软件计算的边界温度条件通过二次 难、单一平台求解器选择受限等问题，本文提出了 开发程序或用户自定义函数施加到流体的边界上， 借助 MpCCI 双向流固耦合接口程序，将有限元软 这样没有真正实现数据在迭代求解过程中的动态传 件与 CFD 软件进行连接，来实现动态双向流固耦合 输，降低了求解精度，与实际情况存在较大差异。 传热的分析方法。 文献[1]对防爆柴油机排气歧管冷却系统的流 收稿日期：2012-12-03 修回日期：2013-06-18 第一作者简介：马富银，男，1986