Fluent固体导热仿真

历史

因为种种原因用了Ansys做了些仿真，Ansys最早主要是作固体结构力学仿真的，主要是的产品是Ansys Mechanical。后来在发展的过程中收购了各式各样的软件，其中在2006年收购了Fluent公司，Ansys自己也在2024年被EDA公司Synopsys（新思科技）以350亿美元收购了。因为收购了各式各样的软件，Ansys后来推出了Ansys Workbench。它长得像Labview一样，类似于一个软件组织平台，把各种软件包都整合到了一起，并让他们可以完成流式的信息传输与耦合。比如调用Ansys SpaceClaim组件建模，用Ansys Mesh组件对建好的模型画网格，然后导入到Fluent组件中进行求解并可视化。此外由于各个软件在收购前都是相对独立发展的，所以在Workbench中有很多模块可以完成相同的功能。比如建模可以选择SpaceClaim或DesignModeler，画网格的选择就更多了，Ansys ICEM CFD、Ansys Mesh、Ansys Fluent Meshing... 求解器也可以根据自己的需要来进行选择。这个文章简单介绍一下在Ansys Workbench中利用Fluent做固体导热仿真的流程和注意事项，待仿真的结构是具有界面热阻的双层薄膜，薄膜上方具有一个窄的面热源。

Ansys工作流

Ansys Workbench

Ansys Workbench可以把不同的软件包串起来，比如先建模，再画网格，再导入到求解器中进行求解。Ansys Workbench的Toolbox中有两栏基本内容，一栏叫作Component Systems，这里每一个组件是一个单独的软件，可以像下图左上角一样，自己放置多个组件，然后把他们连起来。对于每一个组件，第一行是这个组件的名字，下面各行分别是这个组件具有的子模块。比如对于Mesh组件，它包含了两个子模块，一个是建立几何，一个是画网格。另一栏叫作Analysis Systems，就是针对要分析的问题，比如稳态热仿真，Ansys已经提前搭好了一套组件流，用户只需要设置每一个组件中具体的参数和条件即可。

Ansys SpaceClaim

Ansys软件包中有两个组件可以用于几何建模，一个是DesignModeler，一个是SpaceClaim。SpaceClaim建模的基本思路是先画二维草图，然后把这个草图在第三个维度拉起来。对于这种多层规则的方块建模还是比较容易的。如果要连续建立两个方块，这时在第一个方块表面进行拉伸时，SpaceClaim会认为我们想要增加原有方块的长度。此时可以在左上角定义新的组件，在选中新的组件后，再在下方结构体的上表面拉伸时，SpaceClaim就知道我们此时想要定义一个新的几何体了。

此外和Comsol不同，在建模时如果我们不手动为某个面创建NamedSelection，单独拎出来给这个面起了个名字的话，后续的Fluent求解器是无法识别到这个面的，而可能会把外圈的所有面当成一个面。如果我们想为某个面设置不同的边界条件，我们需要选中这个面并创建对应的NamedSelection，后续Fluent就可以识别到了。此外，如果我们先创建了某个面的NamedSelection，然后又在这个面上画了一个子面，这时候需要在先前创建的NamedSelection中删去这个子面，否则后续的网格生成和求解器将无法正确无法识别。

Ansys Mesh

Ansys Mesh只能在Ansys Workbench中打开，我们可以直接在Ansys Workbench中导入刚刚创建好的几何。在Ansys Mesh中，也可以更改不同结构的名字，或者继续定义和修改刚刚在SpaceClaim中创建的NamedSelection。

Comsol和Ansys Mesh在网格生成上的风格是不同的，Comsol中用户可以具体指定每个边上单元的分布，然后通过建立映射完全控制某个面的网格。之后可以再通过扫掠，生成整个结构的网格。在Ansys Mesh里，用户能指定的只是控制Ansys网格生成的约束，主要部分还是Ansys自己完成的。比如在Sizing中，可以控制某一条边上的网格大小，或者某个面的网格大小，或者某个块上的网格大小。之后Ansys Mesh会在自动生成网格时，满足这些要求。通过这种限制，来实现网格的加密或调控。Ansys Mesh中有很多控制方法，比如对于没有子面的规整结构，可以用Sweep方法进行扫掠生成三维网格。对于有子面的结构，可以用Multizone方法，这个方法的意思是说它可以自动识别不同的几何区域并生成相应的网格，在规则几何区域生成高质量的六面体网格，同时在不规则区域生成适合的非结构化网格。比如对于当前的结构，在表面热源面上设置了一个face sizing，上面的结构体设置了Multizone方法，并定义了扫掠的单元大小。下面的结构体设置了扫掠方法，并指定了扫掠的单元数。此时Ansys Mesh就可以自动生成对应要求的网格了。

Ansys Fluent

因为求解的是固体导热问题，在Fluent中我们要打开能量方程。

之后我们要进行界面边界条件的设置，在图片中的Boundary Conditions中Wall下面进行设置。这里需要说明的就是界面热阻的设置。在Fluent中要设置界面热阻，我们先将两区域的连接处的界面设成coupled界面。在Fluent中，coupled界面指的是连接不同区域的网格，确保流体流动和热传递在这些区域之间是连续的。当将这两个界面设置为Coupled Wall时，Fluent会自动生成一组新的coupled界面，此时原有的界面的边界条件就无效了，我们设定coupled界面的边界条件就可以了。当调整新生成的原始界面时，shadow界面的边界条件也会同步改变。在当前算例里生成的两个coupled界面分别叫contact_region-wall-1-1-1和contact_region-wall-1-1-1-shadow。shadow后缀的界面与生成的界面成对存在，Fluent通过这些成对的边界条件来处理不同区域之间的物理量传递。

另外在Fluent中，界面热阻是无法直接设置的，而是通过一个虚拟的等效薄层来实现的。比如下面设定界面的材料为铝，Wall Thickness为1m，那么这个界面的热阻就相当于1m厚的铝所起到的热阻一样。

之后再继续设定其他面的边界条件后，就可以进行求解了。在Solution的Controls栏下面的Equations中，去掉Flow和Turbulence选项，只求解Energy方程。在Run Calculation中，设定好Number of Iterations迭代次数，就可以迭代求解了。

之后可以进行后处理。