实操 3 风扇驱动的空气流动

实操 3 风扇驱动的空气流动

• 实操 4 自由表面流动
• 练习 1 水通过球阀的流动

简介

在本章中，我们将对各种实际设计项目进行 CFD 分析。你可以自由修改模型，并分析不同情况下的流动效果。下面给出实操与练习问题。

实操 1 散热片上的空气流动

在本实操中，我们将分析可作为汽车扰流板使用的散热片周围的流动。我们还将找出由于空气流动而作用在模型各个面上的力。该问题的边界条件如图 1 所示。请注意，模型文件可在本书的资源包文件夹中找到。执行此分析的步骤如下。

打开模型并启动项目

• 使用桌面图标或开始菜单启动 SolidWorks。
• 单击快速访问工具栏中的打开（Open）按钮，或从文件（File）菜单中选择打开（Open）选项。将显示打开（Open）对话框。
• 选择本实操的零件文件，然后单击打开（Open）按钮。将显示该文件的模型；参见图 2。
• 单击快速访问工具栏中选项（Options）下拉列表里的插件（Add-Ins）选项。将显示插件（Add-Ins）对话框。如果尚未启用，请在该对话框中选择 SOLIDWORKS Flow Simulation 对应的复选框，然后单击确定（OK）按钮以激活该插件。
• 单击功能区中 Flow Simulation CommandManager 的向导（Wizard）工具。将显示向导（Wizard）对话框。

• 在项目名称（Project name）编辑框中指定所需项目名称，然后单击下一步（Next）按钮。将显示该对话框的单位系统（Unit System）页面；参见图 3。

• 在该对话框的单位系统（Unit system）区域中选择 NMM (mm-g-s) 单位系统，然后单击下一步（Next）按钮。将在对话框中显示分析类型（Analysis Type）页面；参见图 4。

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• 在该对话框的分析类型（Analysis type）区域中选择外部（External）单选按钮，因为我们关注的是模型周围而非模型内部的空气流动。
• 选择排除内部空间（Exclude internal space）复选框，以从分析中排除模型中的内部空隙（如果有）。
• 选择重力（Gravity）复选框，以将重力对流体流动的影响包括在内。单击对话框中的下一步（Next）按钮。将显示该对话框的默认流体（Default Fluid）页面；参见图 5。

• 展开气体（Gases）类别，然后双击空气（Air）以将其选为默认流体。
• 如果要在分析中包括湿度，请选择湿度（Humidity）复选框。选择流体后，单击对话框中的下一步（Next）按钮。将显示壁面条件（Wall Conditions）页面。
• 将壁面热条件设置为默认值，即绝热壁面（Adiabatic wall），并将表面粗糙度设置为 18 微米。
• 设置所需参数后，单击下一步（Next）按钮。将显示初始与外部条件（Initial and Ambient Conditions）对话框；参见图 6。

• 在X 方向速度（Velocity in X direction）编辑框中将速度值指定为 40000 mm/s。
• 在温度（Temperature）编辑框中将值指定为 25 ᵒC。
• 根据需要设置其他参数，然后单击对话框中的完成（Finish）按钮。将显示带有计算域的模型；参见图 7。

修改计算域

默认情况下，分析的计算域相对于模型来说非常大。较大的计算域需要更多时间进行分析。最好将计算域保持为围绕模型的最小范围。

• 在设计树中右键单击计算域（Computational Domain）节点，然后从快捷菜单中选择编辑定义（Edit Definition）选项；参见图 8。将显示计算域（Computational Domain）属性管理器，其中包含用于修改计算域的选项。

• 通过拖动控制柄，或在属性管理器的编辑框中指定所需值，来修改计算域的大小。

• 单击属性管理器中的确定（OK）按钮以创建该域。

运行分析

请注意，由于我们已经指定了空气速度以及所有所需的计算参数，因此本分析无需再指定任何边界条件。

• 单击功能区中 Flow Simulation CommandManager 的运行（Run）按钮。将显示运行（Run）对话框；参见图 10。

• 按图中所示设置参数，然后单击运行（Run）按钮。将显示求解器（Solver）对话框，其中显示分析进度。分析完成后，使用对话框右上角的 x 按钮关闭求解器（Solver）对话框。

生成结果

• 展开结果（Results）节点，然后在设计树中右键单击流动迹线（Flow Trajectories）结果。将显示该结果的快捷菜单。
• 从快捷菜单中选择插入（Insert）选项。将显示流动迹线（Flow Trajectories）属性管理器。
• 选择垂直于模型面的平面，并设置偏移值以定义流动起始的平面；参见图 11。

• 单击属性管理器中的详细预览（Detailed Preview）按钮，以检查流动迹线的预览；参见图 12。
• 设置所需参数，例如点数、箭头大小等。
• 单击确定（OK）按钮以生成流动迹线结果。

现在，我们将检查由于空气流动而作用在模型各面上的力结果。

• 在设计树中右键单击表面参数（Surface Parameters）结果节点，然后从快捷菜单中选择插入（Insert）选项。将显示表面参数（Surface Parameters）属性管理器；参见图 13。

• 从参数（Parameters）卷展栏中选择力（Force）复选框，以检查所选表面上的力。
• 单击属性管理器顶部的详细预览（Detailed Preview）按钮，然后选择要检查力参数的模型面；参见图 14。

• 单击属性管理器中的确定（OK）按钮以创建结果。

实操 2 腔室中两种气体的流动

在本实操中，你将检查两种气体通过不同入口点在腔室中的混合流动。本实操的模型及其边界条件如图 15 所示。

打开模型并启动项目

• 使用桌面图标或开始菜单启动 SolidWorks。
• 单击快速访问工具栏中的打开（Open）按钮，或从文件（File）菜单中选择打开（Open）选项。将显示打开（Open）对话框。
• 选择本实操的零件文件，然后单击打开（Open）按钮。将显示该文件的模型；参见图 16。

• 单击快速访问工具栏中选项（Options）下拉列表里的插件（Add-Ins）选项。将显示插件（Add-Ins）对话框。如果尚未启用，请在该对话框中选择 SOLIDWORKS Flow Simulation 对应的复选框，然后单击确定（OK）按钮以激活该插件。
• 单击功能区中 Flow Simulation CommandManager 的向导（Wizard）工具。将显示向导（Wizard）对话框。
• 为项目指定所需名称，然后单击下一步（Next）按钮。将显示该对话框的单位系统（Unit System）页面。
• 在该页面中选择 SI (m-kg-s) 单位系统，然后单击下一步（Next）按钮。将显示对话框的分析类型（Analysis Type）页面。
• 在该对话框的分析类型（Analysis type）区域中选择内部（Internal）单选按钮。选择排除无流动条件的腔体（Exclude cavities without flow conditions）复选框。由于我们只关注燃料和空气的流动，因此不选择与传热相关的参数。
• 指定参数后，单击下一步（Next）按钮。将显示默认流体（Default Fluid）页面。
• 双击空气（Air）和乙醇（Ethanol）气体，以将它们包括在研究中，然后单击下一步（Next）按钮。将显示壁面条件（Wall Conditions）页面。
• 保留默认值，然后单击下一步（Next）按钮。将显示初始条件（Initial Conditions）页面。
• 单击对话框中的完成（Finish）按钮。

应用边界条件

• 单击抬头视图工具栏中的剖面视图（Section View）按钮；参见图 17。将显示剖面视图（Section View）属性管理器，并带有剖面预览；参见图 18。

• 确保已选择前视基准面（Front Plane），并且模型剖面从一半处创建。设置所需参数后，单击属性管理器中的确定（OK）按钮。将显示剖面视图；参见图 19。

• 在设计树中右键单击边界条件（Boundary Conditions）节点，然后从显示的快捷菜单中选择插入边界条件（Insert Boundary Condition）选项。将显示边界条件（Boundary Condition）属性管理器。
• 从类型（Type）卷展栏中单击流动开口（Flow Openings）按钮，然后从列表中选择入口质量流量（Inlet Mass Flow）选项。
• 在质量流量（Mass Flow Rate）编辑框中指定 6.11 kg/min 值，并选择模型顶部内表面作为空气流动入口，如图 20 所示。

• 展开物质浓度（Substance Concentrations）卷展栏，并确保空气（Air）浓度设置为 1，乙醇（Ethanol）浓度设置为 0；参见图 21。

• 设置所需参数后，单击属性管理器中的确定（OK）按钮。
• 再次右键单击边界条件（Boundary Conditions）节点，然后从显示的快捷菜单中选择插入边界条件（Insert Boundary Condition）选项，以指定腔室中乙醇的流量。将显示边界条件（Boundary Condition）属性管理器。
• 如前所述，在属性管理器中流动参数（Flow Parameters）卷展栏的质量流量（Mass Flow Rate）编辑框中，将入口质量流量指定为 0.408 kg/min；参见图 22。
• 选择用于乙醇入口的小开口面，并将乙醇浓度指定为 1；参见图 23。

• 设置参数后，单击属性管理器中的确定（OK）按钮。
• 再次右键单击边界条件（Boundary Conditions）节点，然后从显示的快捷菜单中选择插入边界条件（Insert Boundary Condition）选项，以指定出口处的压力和温度条件。将显示边界条件（Boundary Condition）属性管理器。
• 从类型（Type）卷展栏中单击压力开口（Pressure Openings）按钮，然后从列表中选择总压（Total Pressure）选项。
• 在相应的编辑框中将压力值指定为 34500 Pa，温度指定为 500 K。
• 选择模型盖的内表面，如图 24 所示，然后单击属性管理器中的确定（OK）按钮以应用这些参数。

现在，我们已准备好运行分析并生成结果。

运行分析并生成结果

• 单击功能区中 Flow Simulation CommandManager 的运行（Run）按钮。将显示运行（Run）对话框。
• 单击对话框中的运行（Run）按钮以执行分析。将显示求解器（Solver）对话框，其中显示分析进度。
• 分析完成后，关闭求解器（Solver）对话框。
• 你可以如前一个实操中所述生成流动迹线和其他结果。

实操 3 风扇驱动的空气流动

在本实操中，我们将检查空气通过以 150 rpm 转速运行的风扇时的流动；参见图 25。请注意，在本实操中，我们将使用旋转区域来执行分析。执行此分析的步骤如下。

打开模型并启动项目

• 使用桌面图标或开始菜单启动 SolidWorks。
• 单击快速访问工具栏中的打开（Open）按钮，或从文件（File）菜单中选择打开（Open）选项。将显示打开（Open）对话框。
• 选择本实操的零件文件，然后单击打开（Open）按钮。将在绘图区中显示该文件的模型。
• 单击快速访问工具栏中选项（Options）下拉列表里的插件（Add-Ins）选项。将显示插件（Add-Ins）对话框。如果尚未启用，请在该对话框中选择 SOLIDWORKS Flow Simulation 对应的复选框，然后单击确定（OK）按钮以激活该插件。
• 单击功能区中 Flow Simulation CommandManager 的向导（Wizard）工具。将显示向导（Wizard）对话框。
• 为项目指定所需名称，然后单击下一步（Next）按钮。将显示该对话框的单位系统（Unit System）页面。
• 在该页面中选择 SI (m-kg-s) 单位系统。
• 从底部列表中展开载荷与运动（Loads&Motion）节点，并为角速度（Angular Velocity）选择 RPM 单位；参见图 26。

• 单击下一步（Next）按钮。将显示对话框的分析类型（Analysis Type）页面。
• 在该对话框的分析类型（Analysis type）区域中选择外部（External）单选按钮。选择排除无流动条件的腔体（Exclude cavities without flow conditions）复选框。
• 从列表框中选择旋转（Rotation）复选框，然后从类型（Type）下拉列表中选择局部区域（平均）（Local region(s) (Averaging)）选项用于旋转；参见图 27。

• 指定参数后，单击下一步（Next）按钮。将显示默认流体（Default Fluid）页面。
• 双击空气（Air）气体，以将其包括在研究中，然后单击下一步（Next）按钮。将显示壁面条件（Wall Conditions）页面。
• 保留默认值，然后单击下一步（Next）按钮。将显示初始与外部条件（Initial and Ambient Conditions）页面。
• 单击此页面底部的坐标系（Coordinate System）按钮。将显示坐标系（Coordinate system）对话框；参见图 28。确保在参考轴（Reference axis）下拉列表中选择了 X 选项，以便风扇绕 X 轴旋转。

• 单击坐标系（Coordinate system）对话框中的确定（OK）按钮，然后单击对话框中的完成（Finish）按钮。将显示分析的计算域。
• 从设计树中选择计算域（Computation Domain）选项，然后使用模型上显示的箭头缩小计算域尺寸；参见图 29。

定义旋转区域

• 要使用旋转区域，我们需要一个圆柱形形状的零部件。因此，我们首先创建一个新零部件。单击功能区中装配体 CommandManager 的插入零部件（Insert Components）下拉列表中的新零件（New Part）工具。系统将要求你选择用于定位新零件的面/基准面。
• 选择如图 30 所示的模型面。将激活草图模式，并且模型将显示为透明。

• 在原点处创建两个同心圆，如图 31 所示，以定义旋转区域边界。

• 单击 CommandManager 中的退出草图（Exit Sketch）按钮以退出草图环境。
• 单击功能区中特征 CommandManager 的拉伸凸台/基体（Extruded Boss/Base）工具。将显示凸台-拉伸（Boss-Extrude）属性管理器。
• 选择要拉伸的两个圆。将显示拉伸特征的预览；参见图 32。

• 从方向 1（Direction 1）卷展栏的下拉列表中选择成形到一面（Up To Surface）选项，然后选择风扇顶面；参见图 33。

• 单击属性管理器中的确定（OK）按钮以创建该特征。
• 单击特征 CommandManager 中的编辑零部件（Edit Component）切换按钮，以退出零部件编辑模式。将显示实体拉伸体，如图 34 所示。
• 右键单击新实体，然后从快捷菜单中选择更改透明度（Change Transparency）按钮；参见图 35。新零件将变为透明；参见图 36。

• 在设计树中打开 Flow Simulation 分析管理器，然后右键单击设计树中的旋转区域（Rotating Regions）选项。将显示快捷菜单；参见图 37。

• 从快捷菜单中选择插入旋转区域（Insert Rotating Region）选项。将显示旋转区域（Rotating Region）属性管理器；参见图 38。

• 选择为旋转区域创建的新零件，并在参数（Parameter）卷展栏中将角速度指定为 150 RPM；参见图 39。

• 单击属性管理器中的确定（OK）按钮以创建该区域。

为风扇运动定义定子

• 在设计树中右键单击边界条件（Boundary Conditions）节点，然后从显示的快捷菜单中选择插入边界条件（Insert Boundary Condition）选项。将显示边界条件（Boundary Condition）属性管理器。
• 从类型（Type）卷展栏中单击壁面（Wall）按钮，然后从该卷展栏的列表中选择真实壁面（Real Wall）选项。
• 选择定子（Stator）复选框，以将所选面标记为旋转区域的定子。
• 选择壳体的圆柱面，如图 40 所示。

• 单击属性管理器中的确定（OK）按钮。

现在，我们已准备好运行分析并检查结果。

运行分析并检查结果

• 单击功能区中 Flow Simulation CommandManager 的运行（Run）按钮。将显示运行（Run）对话框。
• 单击对话框中的运行（Run）按钮。将显示求解器（Solver）对话框。
• 分析无警告完成后，关闭求解器（Solver）对话框。
• 展开结果（Results）节点，然后右键单击流动迹线（Flow Trajectories）选项。将显示快捷菜单。
• 从快捷菜单中选择插入（Insert）选项。将显示流动迹线（Flow Trajectories）属性管理器。
• 选择右视基准面（Right plane），并将其偏移到计算域边界，以定义空气流动的起始点；参见图 41。

• 如前所述设置所需参数，然后单击确定（OK）按钮。将显示流动迹线结果；参见图 42。

你可以通过修改风扇叶片形状以及增加/降低风扇 RPM 来检查不同结果。