【原创】基于abaqus/CFD+Standard的流固耦合强制对流换热模型

北鹰南飞

之前看到很多会员问到基于结构模块的散热问题与基于流体动力学的热流分析的区别问题，可能部分从事结构

分析的会员对于后者还比较陌生，而且似乎也没看到本版有关基于abaqus/CFD+Standard/Explicit的流固耦合的

完整示例，手册上也只有一个自然对流换热的例子，我觉得还不够，作为一个自己动手练习的例子拿来与大家

分享交流，流固耦合问题本身涉及的方面较多，不同的问题涉及的处理技术会有很大不同，鉴于我自己对abaqus/

CFD+Standard/Explicit的流固耦合技术只是最近才开始关注，其较为详见的各种网格技术，边界设定，流体模型，

特别是湍流模型，处理高速可压缩流技术理论有待进一步去认识，初步的感觉还是非常薄弱，需要进行强力升级，

也希望看到已经对Abaqus这块有较深研究的朋友一起分享经验与技巧。

模型简介：

本模型的结构部分由3部分组成：


芯片以一定功率发热，冷却肋片通过导热性将芯片的热量以较大的表面与空气进行强制对流热交换，因为模型温度

给定的不会太高，忽略热辐射效应，芯片、散热块、PCB板与空气形成一个流固耦合换热界面，要准确扑捉热边界层

的温度梯度变化需要较密的边界层网格，流固耦合界面如下图：



流体域相当于在一个开口的箱子内，壁面为无滑移的绝热壁面，通风入口给定1m/s的风速。

相关计算结果：

1：结构瞬时温度场分布：

2：结构的热流矢量：

3：流场瞬时速度矢量：

4：流场瞬时温度云图：

计算模型和参数设置见附件：

敦诚

北鹰南飞兄，为什么不把网格画的变准点呢？呵呵，很多小网格可能影响运算速度啊！
还有谈谈abaqus的cfd，个人所知啊，可能存在问题。如果以北鹰南飞兄这个对流模型评价abaqus，可能很难说清楚，毕竟对流方程形式单一，无论是自然还是强迫解起来困难不大，可是对于一些湍流问题（当然非常强的对流问题可能也是存在湍流）abaqus显然不太好使，因为abaqus不像fluent有针对于各种需求的湍流模型和算法，我记得fluent有10多个。看过abaqus的CFD手册发现他就是靠求解n-s方程来处理湍流问题，学过CFD的人都知道一个CFD方程基本所有的湍流问题都可以很好地解决，但是为什么不用呢，因为湍流旋窝有大有小，而且符合各种概率分布（看方程的解是那种的而定，比如标准正态分布），想要确定一个机翼旁的旋窝情况网格可能在上亿，时间增量在百万分之一秒，这简直就是在开玩笑，所以一些简化的湍流模型应用是最广泛的，这些模型在算法上面截然不同差分格式也不一样，而abaqus的优点就在解差分方程上面，他不太可能因为CFD而改变原本的求解内核和差分格式的重新，你现在要是变个差分格式你看abaqus用什么子程序能改（根本就改不了），虽然自称是重新写的，但是有些质疑。
所以abaqus的CFD我现在都没有具体用过。靠谱点的方法还是abaqus+mpcci+fluent。

还有用abaqus做CFD很少，应该比较多的人对于CFD不熟悉，是否可以再加一些流体方面的解释，可以再加分，这样的算例真的很少。

北鹰南飞

有尝试涉及结构大变形的abaqus/CFD+Standard流固耦合分析的也可以进来一起探讨一下~~。

北鹰南飞

3# 敦诚

赶在出门前说说：

（1）首先感谢敦兄的指点。是这样的，我没有细化网格是因为我是用随身的本本在长途大巴上完成的，网格过细，我怕计算时

间不允许。对于热流分析这类问题，本身与其它流体分析无二异，只是将能量方程与几个热力学方程结合起来，联立求解温度等

多余未知量。所以，基于的基本方程还是我们熟知的n-s方程。n-s方程在cfd的数值解法中，几个方程具有统一的格式，主要是方

便计算机的求解，这个统一的格式为：瞬态项+对流项+扩散项+源项，这里含的“对流项”与对流换热的概念有点不同，但本质上

是有联系的。对流换热过程可以从简单的层流到复杂的湍流流动，这个是由流动状态决定的，我在模型中给了较小的流速，是想

控制在层流状态，但具体雷诺数我没有算过，可能已经超过了临界雷诺数也说不定，其实湍流运动是更有利于对流换热的，在层

流状态下，换热主要还是流体的热传导模式。自然对流换热与强制对流换热本质上是一样的，辅以热方程求解n-s方程，只是边界

条件有所不同而已。

（2）对于求解湍流问题的n-s方程，直接求解理论上可行，但正如敦兄所说，实际操作几乎不可能，从现有的模型来看最接近的做

法是采用LES，LES也是最具潜力的模型，其它模型或多或少都有其自身的较大缺陷，这也是现实中CFD求解结果与实际较难完全

一致的主因。我想随着硬件设备的不断升级，LES应该会得到越来越多的应用。

对于abaqus的cfd，初看了一下，湍流模式涉及Spalart-Allmaras和LES两种，不过后者我在abaqus/cfd中还没找到，请找到的人告

诉我一声。Spalart-Allmaras这种湍流模式是一种单方程模式，用于求解动力涡粘输运方程的简单模型，一般会辅以壁面函数法，

用来求解壁面限制流动，对于受逆压力梯度的边界层流动较好，如果并不需要精确的湍流计算时，这种模型是最好的选择，不过这

种单方程模型对于长度尺寸的变化并不敏感，所以限制了其应用，可以说它是最经济的湍流模型。

（3）因为abaqus的CFD我还没认真过一遍，我现在还不知道它究竟是基于有限体积法，还是有限元法，呵呵，，，知道的同志也

麻烦告诉我一声（貌似是基于node-centered finite-element ）。如果abaqus/CFD是独立于abaqus/standard&explicit的内核，我想，

其发展CFD求解能力的空间还是非常大的。我记得flunent的湍流模型是7个，不过不知道新版本是不是增加了些内容，star-cd可供

选择的湍流模型有十多个，它对湍流模型的子模型划分得更细。总之abaqus/CFD目前的功能是较难令人满意的，还是需要大力改进。

所以目前对于采用abaqus比较靠谱的流固耦合做法还是abaqus+mpcci+fluent.

敦诚

不知道北鹰南飞兄能否上传一个用Spalart-Allmaras算的强迫对流有大漩涡的，这样网格不用太细，我一直只是听说abaqus能算，但是不知道真的能否算。
还有如果将所有的k-ε模型和k-θ模型都算做以两个的话，fluent里面就是7种湍流模型。cfd模块好像是独立于standard和explicit，也是abaqus从fluent哪里挖人编写的，但是感觉为了考虑接口（比如standard和explicit之间就可以相互导入），为了能完成以后cfd与standard和explicit的导入，它的编程重点和方法应该差不多，就好比ansys买了dyna的求解器，但是ansys的文件跑起来一般不会有dyna的k文件跑的流畅。
还有也是听说cfd是有限体积法，他们开年会的时候说了一嘴。

北鹰南飞

5# 敦诚
我抽空会做个出来。

upbeat928

看到各位大哥的讨论，进来学习一下，呵呵

peterwei

现在流固耦合时研究的热点啊，尤其是强耦合的情况。

北鹰南飞

8# peterwei
是的，强耦合往往涉及结构大变形，所以对CFD模块的网格技术要求较高，求解难度会较大。

xzyatcumt

高手，学习了！！！

king1985072323

两位精英，值得学习，

zc060222

值得学习

zc060222

谢谢分享

hanla

楼主和敦诚兄都是牛人啊，看了两位的帖子，增长了很多见识。

萤火虫

xzyatcumt 发表于 2011-8-1 10:22
高手，学习了！！！

好好学习一下啊   见识了

uslee22

剛剛拜讀,正在嘗試,分析結果在跟大家分享~謝謝不另賜教&案例提供^^

fangqiang_tust

想知道在发动机cae分析中，如何讲fire和abaqus耦合起来的？跪求过程

dreams17

好像算不了热应力，要是能算热应力就好了

ssncjp

您好，版主，我想请教一下cfd模型和standard模型分别定义各自的相互作用面就可以了吗？本人初学，还望不惜赐教~~~

melxc2003

可是结构模块的隐式求解没有流固耦合边界啊，只有显式的有，document中反复提到cfd和 standard/explicit耦合，而例题和操作说明只有explicit的，是不是有点忽悠人啊！
还有，cfd模块只支持transient，那就是不能做稳态下的流固耦合了？！