求解固体温度

纯固体模拟中，有限元固体能量模型根据在边界处指定的热设置来计算固体或固体壳区域中的温度分布。在共轭传热 (CHT) 模拟中，此模型还会考虑来自流体结构交界面的流体的热数据。该模拟可以与固体应力模型组合。在这种情况下，求解固体位移时会包含温度分布的热负载。

当设置固体温度模拟时，可以对四种不同情景进行建模：
  • 仅温度 - 需要固体区域且仅限有限元固体能量模型。
  • 温度和应力 - 仅需要具有有限元固体能量和固体应力模型的固体区域。
  • 纯 CHT - 需要固体区域和流体区域具有交界面，以及有限元固体能量模型。
  • CHT 和 FSI - 需要固体区域和流体区域具有交界面，同时也需要有限元固体能量和固体应力模型。

有限元固体能量和固体应力模型使用同一网格。请参见网格要求和准则。

以下说明概述了固体材料和壳部件中热传导建模的基本工作流程。有关对流体和固体之间的热传递进行建模的详细信息，请参见共轭传热。
  1. 定义所需的区域、交界面和连续体。
    在共轭传热 (CHT) 模拟中，定义流体和固体区域并创建流体和固体之间的接触模式交界面。将交界面类型设为映射接触交界面。要耦合壳体部件表面（无论是与另一壳体部件还是实心部件耦合），首先要在一个部件的前表面和另一个部件的后表面之间创建弱原位接触。然后创建接触模式交界面，并将交界面类型设为映射接触交界面。壳体映射接触交界面可以是共形的，也可以是非共形的。
  2. 遵循应用热负载中的说明，选择有限元固体能量模型。
定义热传导和对流建模所需的材料属性：
  1. 展开相关的 [物理连续体] > 模型 > 固体 > [固体材料] > 材料属性节点。
  2. 使用常数输入指定固体密度和比热。
  3. 指定固体材料的导热率：
    • 对于各向同性固体，使用常数值、标量表达式或场函数将导热率定义为标量。
    • 对于各向异性固体，将导热率定义为张量。
    有关可用方法的详细信息，请参见材料属性。
  4. 选择 [物理连续体] > 初始条件 > 静态温度节点，然后将固体温度初始化为适当的值。
    在 CHT 模拟中，设置精确的初始条件会对收敛产生很大影响。
定义固体边界处的热行为。对于不属于流体-固体交界面的边界：
  1. 选择 [固体区域] > 边界 > [壁面边界] > 物理条件 > 热指定节点。
    • 对于阻止能量传递的热隔离边界，将方法设为绝热。
    • 对于可用于能量传递的非绝热边界，根据要指定的物理量选择方法。有限元固体能量可用于指定温度、热通量和对流通量。
    有关详细信息，请参见有限元固体能量模型参考。
对于固体-固体交界面，可以定义交界面的热隔离。热隔离决定跨交界面映射的温度场数据的级别。随着热接触阻力接近于零，解算方案趋向于理想的传导解算方案。但随着热阻的增加，模拟会趋向于解耦解决方案。请参见热耦合。
  1. 选择交界面 > [固体/固体交界面] > 条件 > 热耦合指定节点，然后将耦合选项设为正确的热阻水平。
    • 对于没有热阻的交界面，选择理想传导。
    • 对于不应跨交界面传递温度场数据的交界面，选择非耦合。
    • 对于具有特定热阻级别的交界面，选择热阻，然后在物理值 > 接触热阻节点下设置热阻。
在流体和固体交界面处，流体边界会接收固体温度，而固体边界会接收来自流体边界的对流通量。Simcenter STAR-CCM+ 将自动设置交界面两侧的边界热指定，以匹配映射到两个边界的场。请参见交界面输入。

对于流体和固体交界面边界：

  1. 选择 [区域] > 边界 > [交界面边界] > 物理条件 > 平均时间选项节点，然后设置此选项以指定在边界处计算的场在映射到交界面的另一侧之前是否是时间平均。
    有关更多信息，请参见平均时间选项
当您在液体区域和固体区域（其固体应力模型已激活）之间创建映射接触界面时，Simcenter STAR-CCM+ 会自动激活流体结构耦合求解器。如果要将模拟作为无流体结构耦合的 CHT 模拟运行，必须将流体负载从固体区域中解耦。
  1. 要运行无流体结构耦合的 CHT 模拟，选择[固体区域] > 边界 > [交界面] > 物理条件 > FSI 耦合指定节点，并将选项设为解耦。
要考虑来自未在模拟中建模的现象的能量贡献，可以在固体区域应用用户自定义的能量源：
  1. 选择 [固体区域] > 物理条件 > 能量源选项，然后根据需要设置方法。
    有关可用选项的更多信息，请参见区域输入。
对于实体-实体交界面，选择 Simcenter STAR-CCM+ 用于约束表面的方法：
  1. 选择 [实体/实体交界面] > 物理条件 > 约束映射节点，然后将方法设为节点至表面或表面至表面。
    一般情况下，表面至表面方法更精确，但需要更高的计算工作量。有关详细信息，请参见交界面设置。
  2. 选择求解器 > 有限元固体能量节点，然后根据需要调整求解器属性（请参见有限元固体能量求解器）。
    默认情况下，Simcenter STAR-CCM+ 使用直接求解器对固体温度进行求解，对于大型案例，该求解器可能需要大量内存和时间。要使用迭代法计算线性系统的求解，将求解器方法设为迭代。有关可用设置的更多信息，请参见有限元稀疏直接求解器参考和和有限元迭代求解器参考。
在非稳态模拟中，边界处的较高温度梯度可能会导致温度求解中存在局部振荡。在这种情况下，可以细化网格或增大时间步。根据 1D 热传导，可以估计非稳态热分析所需的最小时间步，即：
Δt>ρcp6κh
(290)

其中 为密度， 为比热， 为导热系数， 为单元长度。ρcpκh

  1. 设置一个高于 Eqn. (290) 给定值的时间步。
Simcenter STAR-CCM+ 还提供面向热容矩阵的分块技法，可以在具有线性（一阶）网格单元的区域中应用。在热扩散率 、平均网格单元大小 和模拟时间步 之间关系遵循 Eqn. (295) 的区域中，建议使用分块。 α Δ x Δ t 要激活分块：
  1. 选择 [固体区域] > 物理条件 > 分块热容矩阵选项，然后将方法设为分块 1 阶单元。
    有关更多信息，请参见区域输入。
  2. 通过按照以下章节中提供的说明完成模拟设置。