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1、CFD_FEA 耦合计算培训教程,目的,目的 CFD分析和有限元分析相互提供更精确的边界条件,基础介绍,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,CFD Simulation,FEA Simulation,Data processing,Data processing,FEA Simulation,Iterative loop,CFD 环境,第一步 CFD计算,第一步计算CFD的时候，建议此时不指定有限元网格只需
2、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,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HTC,第二步 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）,1,2,3,有限元结构计算中的实体网格,结构网格抽
3、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,第三步 Mapping,1 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：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 AVLFIREv2009modulesfem_interface，
4、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）,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。,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。,Mapping：程序自动将CFD计算得到近壁面的温度和HTC在时
5、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。,保存之后开始计算，输入mapping的命令如下图所示：,检查mapping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New case，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。,Mapping到有限元软件上的近壁面温度,Mapping到有限
6、元软件上的HTC,两个模型间的距离,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。,第四部 有限元软件的计算,4,1,2,3,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,N
7、AME=Material-steel*CONDUCTIVITY,TYPE=ISO/导热51.08,20.0 35.7,600.0*SPECIFIC HEAT/比热0.0048,0.0*DENSITY/密度7.8500E-09,0.0*ELASTIC,TYPE=ISOTROPIC/弹性模量202000.0,0.28,20.0 200000.0,0.28,100.0 189000.0,0.28,300.0 167000.0,0.28,400.0*EXPANSION,TYPE=ISO/热膨胀系数1.2660E-05,20.0 1.2660E-05,200.0：,有限元热场计算中，定义材料特性(随温度
8、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solid section;定义面单元属性shell section,厚度为0.001mm,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dof
9、11（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,5,6,MPC,7,8,9,10,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*HEAT TRANSFER,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,O
10、P=NEW 21184,FPOS,82.328,0.794E-01 21183,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*NODE OUTPUT,VARIABLE=ALL*ELEMENT OUTPUT,VARIABLE=ALL,提交ABAQUS计算，得到结构的热场计算结果,11,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：,12,第五步
11、FEM-CFD 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input FE-CFD,并把上一步有限元计算得到的壁面温度文件导入。,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：,：,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）。,
