流场与温度场耦合的现代CFD计算技术

流场与温度场耦合的现代CFD计算软件介绍

摘要:目前在航空航天,电子设备设计等领域涉及到高速高温流场的计算,尤其在高速气流作

用下的气动加热计算,更是对现代计算技术提出了更高的要求,随之产生了各种商业计算软件,对一定边界条件下的流场及温度场进行耦合计算,本文重点介绍了目前主流的热流场计算技术及其优缺点,针对航空航天热物理方向运用较多的典型软件FLUENT及SINDA\\FLUENT进行了具体介绍.

关键字:流场温度场耦合,商业CFD软件,FLUENT,SINDA\\FLUENT

1. 引言

随着航天器技术的不断发展，尤其目前世界航天正朝着商业化发展，因此，在航天器热控设计中，运用商业热分析软件对航天器进行快速热模拟及热分析成为了各国发展航天事业不可或缺的有力保障。

2.商业软件介绍

商业热分析软件通用性好，模块固化，易开展计算，但对于一般技术人员其内在核心技术较难理解，而且对于某些特殊的热系统，需要较为完善的第三方软件支持，以满足不同用户的使用要求。这在一定程度上制约了热分析的发展进程。

因此在现有软件基础上编制自定义程序以及寻求能与软件进行对接的程序链接方法是解决上述问题的关键。

目前，热分析领域比较流行的商业软件主要有：SINDA/G与NEVADA、SINDA/FLUINT、ESATAN、ANSYS、I-DEAS、FLOTHERM、Thermal Desktop、NASTRAN、MSC/PATRAN和TRASYS等。其中，SINDA/G、SINDA/FLUINT、ESATAN（ThermXL）都是基于热网络法，常用于整体系统热分析；ANSYS、NASTRAN、FLOTHERM等基于有限元和有限差分法，常用于部件或设备热分析。辐射交换计算软件包括NEVADA、ESARAD，TERMICA，TRASYS，RadCAD，SSPTA，OAZIS。NEVADA 软件基于Monte-Carlo 方法和电磁辐射理论，模拟各种复杂的辐射换热过程，一般可与SINDA/G 配合使用。SINDA/G 软件基于集总参数法和热阻－热容节点网络计算温度场，是专业热分析软件。SINDA/FLUINT 软件在热网络法核心计算基础上，集成了有限元法的前后处

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理功能和有限差分法的某些功能优点的热设计、热分析软件。ANSYS、MSC/NASTRAN、MSC.PATRAN几种软件都是大型通用结构、多功能集成式有限元分析软件，热分析仅是其中一个子模块功能。如ANSYS包含了结构、热、流体、电磁、声学等多学科特性分析。与此类似，I-DEAS 软件也是多种功能集成的CAD/CAE/CAM一体化软件，其中的TMG模块可进行热分析计算。

3.流固耦合场计算

流固耦合的传热问题归结到最后是要求解针对模型建立的质量守恒方程、动量守恒方程、及能量守恒方程，而对于流动控制方程一般为非线性，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，人工求解与其对应的微分方程其工作量是巨大的，甚至是不可能完成的，而随着现代技术的发展，计算机的高效性使得在短时间内求得非线性的流动方程成为可能，现代CFD(计算流体动力学)具有实用性强，应用面广的优点，不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，灵活性强，能够结合现代成像技术，对复杂模型内的热环境进行图形显示，并且能对于高温，毒性强的不易实验测量的模型进行仿真求解。

当然计算机仿真也存在一定的局限性，其对于模型的简化及近似处理决定了其与现实模型存在一定的误差，其次，利用计算机的数值解法是一种离散的近似计算的方法，最终结果并不能提供详细的结果表达式，只是离散点上的一些具体数值，而不存在物理问题的解析解，这就决定了在求解此类数值问题时需要较高的计算机内存空间，并且要求PC机的软硬件配置较高。

综合上所述，在对模型的精度要求不是特别严格的基础上，采用商业软件对具体流动传热问题进行求解是目前工程估算的一种有效地途径，本例针对一个较为复杂的三维立体耦合传热模型，利用当前较为流行的FLUENT进行模拟计算，以期待得到较理想的温度场分布。

4.典型热流分析软件

4.1 Fluent软件的简介

FLUENT 是当前世界上比较主流的模拟复杂模型流动及热传导的计算机CFD商业软件，能够较好地模拟无粘流、层流、湍流模型，完成自然/强制/混合对流的热传导，流固耦合热传导及辐射等的计算。对于较为复杂的化学反应、组分燃烧等的模拟计算仍可以较好的完成。被广泛应用于航空航天、航海、汽车、石油化工、旋转机械、材料、生物制药等领域。由于FLUENT采用C/C++编写，能够实现对计算机物理内存的高效利用，具有实用性强，操作简便，界面友好的特点。总体上FLUENT软件包括了GAMBIT及FLUENT两部分，另外加上专业的图像后处理软件Tecplot共计三部分，现介绍如下:

（1）其功能强大的前处理软件GAMBIT能够实现对复杂几何模型的建模及网格划分，并且由较强的几何修复能力，能够生成高质量的网格，使后续的求解精度得到了较大的保障，

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并且对于非结构化网格的生成能力是远远优于其它商业软件的，对于极其复杂的几何外形能够生成三维四面体、六面体的非结构化网格，在生成附面层网格的同时能够使其贴体网格与主流区域的网格自动衔接，大大提高了网格质量，综合来讲，FLUENT的网格技术有以下优势：

1.分区结构化网格生成能力 2.子映射网格生成技术 3.四面体基元网格生成技术 4.COOPER网格生成技术 5.非结构化网格及混合网格技术 6.六面体核心网格技术 7.多面体网格技术 8.网格自适应技术 9.边界层网格技术

4.2 SINDA/FLUINT热流分析软件

SINDA/FLUINT软件(简称S/F)是美国C&R公司开发的，基于有限差分法、集总参数理论、离散化的经验公式，应用于复杂传热设计和流体流动分析的综合性、通用软件。软件的能力、可靠性一次次被验证，并于1991年被授予“美国航空航天贡献奖”，在全球拥有超过25 个国家的500 家正版用户，应用领域包括航空航天、电子、石油化工、生物医药、汽车等行业。

具体应用包括热辐射、流固耦合传热分析、复杂管网及水力件、热管、压缩循环、多相/多组分流动(自动判别流域变化/临界热流/临界流)、旋转机械、水锤、线面接触热阻、隔热绝热材料、导热强化措施、多轴旋转或多自由度平移辐射、翅片/泵/压力损失件模拟、物理化学反应热(相变与热烧蚀)分析、半导体制冷等，涵盖了热流工程应用的方方面面。

4.2.1软件模块

S/F包括两大主要部分：前后处理模块，求解器模块。两个前后处理软件(S/P和T/D)根据设计需求进行选择，并与求解器组合；值得指出的是，该软件可以直接在前后处理软件中一键调用求解器进行热导计算、辐射分析设置、流体网络生成、SINDA求解器设置和后处理调用等事宜，并且在前后处理器中直接以彩图/阴影法、动态画面和曲线图显示求解结果。

4.2.2前后处理

1. SinapsPlus(简称S/P) ——非几何体建模，图形界面、示意图类型的前、后处理器。以示意图框架形式在屏幕上表示热/流体回路网络，赋以有效的输入并调用求解器，最后在原有的示意图上后处理显示计算结果。

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图1 S/P建立的网络图及后处理显示

Thermal Desktop(简称T/D)——几何体建模，图形界面、基于AutoCAD的3D实体建模的前、后处理器。集成了有限差分软件中使用的参数曲面和有限元软件中使用的CAD几何。在一个模型里同时使用有限元、有限差分、集总参数，是帮助用户快速建模、分析和后处理复杂热/流体模型的软件工具，具有高效、便捷、精确的特点；同时可以直接使用AutoCAD建模技巧以及已有的几何或FEM模型，利用软件的“自动抓取关键点”的功能，自动生成S/F计算所需的热容-热导网络。

包括两个模块：

RadCAD——基于AutoCAD的热辐射分析软件模块。采用Oct-cell加速、C&R公司专利的改进蒙特卡罗光线追迹理论计算二次曲面间的角系数、辐射换热热导、热流率，是世界上第一款能集成任意CAD曲面与参数化曲面(类似于TRASYS)的热辐射分析软件。利用独特的步进辐射率算法（progressive radiosity algorithm）基于角系数数据计算辐射换热系数。引入分析组的思想，任何曲面、包括指定的活动面，能在不同的分析组中任意多次的归组；当辐射计算启动后，运算只是基于当前活动的分析组，这既节省了时间也方便了模型的管理。可选择的求解方法：加速蒙特卡罗光线追迹方法或步进辐射率算法。

图2 T/D建模案例

FloCAD——基于AutoCAD的流体回路模拟、物体表面的强迫和自然对流换热等分析的软件模块，能在CAD环境下建立、集成流体和热系统。流动网络的介质可以是单相蒸汽或者液体，也可以是在网络中任意位置出现的液/汽组合，甚至多种流体的混合物；支持有限元并融入了创新的自动网络简化技术。快速建模、快速求解的经验公式法：不再考虑几何体的细节而直接使用传热和压降经验公式的一种一维流场流动模拟的方法。最大的缺点可能就是缺乏3D流场和流线后处理显示的功能，而这些正是正式报告和科技文章中吸引人的地方。

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由于某些特定的2D/3D流动问题并不能直接简化为1D问题，或者虽能够简化但也需投入太多的人力才能找到可用的1D流动和热量传递的修正公式（例如，入口长度效应修正或影响流动分离的压头损失确定等），所以CFD方法在这些问题的处理上明显优于FLUINT/FloCAD的“FNM”方法。但是，许多工程师依然采用两种方法求解此类问题（CFD侧重流场的细节、但不易确定误差来源，也不便于根据实验数据修正后再举一反三地应用）。首先，用CFD计算结果拟合出能够在FLUINT中使用的关系式：如分离位置、压力和速度边界条件、压头损失和换热系数等，作为FLUINT模型的输入，进行快速的瞬态计算、参数化分析、设计优化、实验数据标定、两相流模拟等工作。

图3 电子设备强制对流换热FloCAD模拟案例

2. EZ-XY Plotter ——一个独立的绘图工具软件，可作为上诉几个模块信息的图形化处理工具，也可完成文本信息文件的绘图工作。

4.2.3软件优势

1、与FEM类热软件的区别：

1) 基于FEM框架开发热软件，由于曲面/曲体消失，必然造成热辐射精度下降，计算

用时增加；

2) 基于FEM框架开发热软件，由于网格过密，在流固耦合传热、接触热阻计算、模

型随设计需求调整非常麻烦；

3) 基于FEM框架开发热软件，难以模拟热管、压缩循环、相变等热力行为； 4) S/F提出Mapping方法，使得结构/热工程师不必使用同一REM软件，即可快速方

便完成热应变分析。

2、与CFD类热软件的区别：

1) CFD软件得到的对流换热系数和阻力系数空间分布，可作为S/F边界条件导入S/F

热模型；

2) 使用CFD软件做热分析，难保证热辐射计算精度/速度，难模拟复杂管路系统（泵/

阀门/三通/滤网）和工程热控技术；

3) 使用CFD软件做热分析，表面上看上去很合理，但不一定能获得符合工程实际的

结果。

3、与其它有限差分热软件的区别：

1) 具备完整理论支持（结构件/流体集总参数有限元差分理论）； 2) 具备最全热控工程技术模拟能力（热管、多层隔热等）；

3) 具备集FEM网格与FD曲面/曲体于一身的最强大热辐射模拟能力（RadCAD?）－

参数化快速建模、模型动态变化；

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4) 具备最强流固耦合换热工程流体模拟能力（FloCAD?）－风冷、液冷、压缩循环、

旋转机械、低温制冷等；

5) 美国第二代智能软件工程应用先锋－自动寻优、可靠性设计。

总体而言，S/F具有强有力的理论基础而且操作简单，还是一个智能机，有内嵌的函数，有开放的接口，集成的内部表格-全参数建模，多变量约束，能实现在指定目标和约束下的自动优化。

4.2.4 S/F功能和特点

1、 热模拟能力

1) 稳态和瞬态分析能力

导热、对流、辐射，热容、烧蚀、融化、升华； 随时间、温度、压力变化的属性和参数； 参数化分析与重启计算能力；

内建可实现自动关联求解的多变量表； 大量内建辅助分析库函数； 从设备级到系统级的性能模拟；

2) 高级设计

设计优化、目标捕获、极端工况自确定； 自动拟合实验数据（修正模型）； 可靠性工程（统计分析各种不确定性）；

3) 用户自添加逻辑的一并运行 模拟控制系统合复杂组件； 自定义数值算法、输入、输出； 与其它程序和软件交互；

引入子模型概念，同时S/F提供的不再仅仅是稳态和瞬态的计算程序，而是多种求解方案。

2、 流体模拟能力

? 任意构建的复杂系统，1D流体网络，包括在2D和3D控制体内的热分层现象； ? 单相/两相、单组分/混合物，包括沸腾、蒸发、凝结，两相流的均匀流、滑移流动、

热管、多相流中的自动流域匹配等；

? 稳态与瞬态（从换热器尺寸稳态优化到流体瞬态动载，如水锤）； ? 设计优化、极端工况自确定、试验数据标定、统计学设计；

? 多层次模拟近似（系统级设计的几十个单元到部件级设计数万单元）； ? 模拟多种流体（从数据库调用或自定义）、可压和不可压； ? 通过流体组件（泵、风扇、阀门、三通、滤网等）； ? 利用对称性和冗余特征实现计算简化；

? 随时间和方向变化的质量力、自然对流、耦合传热； ? 毛细设备、旋转机械、高速流体流动中的能量传递；

结论:

综上所述，各种商业软件在目前航天器热控制中均被广泛应用，且日益朝着大型化，集

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成化发展，而我国目前仍仅限于商业软件的应用阶段。随着空天事业的发展及世界竞争的日益激烈，加快自主产权的热分析软件的研发，是提高我国航天领域核心竞争力的必经途径。

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