内容发布更新时间 : 2024/9/30 8:27:26星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

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HeatExchanger

这里用一个简单的实例介绍CAXA CAE流体模块的使用。这里需使用CAXA 3D实体设计 2016和CAXA CAE 2016版。这里将模拟在热交换器中、用水冷却热气的问题。模型由热交换器、空气和水构成，几何外形如下：

热交换器用流动的30度的水将流动的300度的热空气冷却，最终稳态温度分布为： 这是热、流体物理性耦合分析，模拟设置的具体过程如下： 1. 建立FEA分析。

用CAXA 3D实体设计打开HeatExchanger.ics模型。如果模型是直接在CAXA中绘制的，则应在建立分析前保存模型，以便让程序了解以后生成的FEA文件的保存路径。否则会造成程序报错而无法继续分析。建立分析的方法使用以下多物理性FEA主工具条：

工具条由左向右数第三个按钮为“添加FEA”按钮，点击后将弹出“选择分析类型”对话框。使用默认的“静态/稳态”和“3D”，单击“确定”： 各分析类型的简单介绍如下：

? 静态/稳态：边界条件和结果是不随时间变化的。也可使用多步命令看到系统达到

稳态的过程。

? 动态/瞬态：边界条件和结果的大小可随时间的变化而变化。 ? 模态/振动模式：用于计算谐波共振模型的振型和频率。

? 不稳定屈曲：计算有负荷的失稳屈曲模型，获得结构特征值。

? 频域：分析施加了特定频率范围内载荷或约束的模型，来确定是否发生动态载荷放

大效应

2. Multiphysics FEA 树图。

“选择分析类型”对话框关闭后弹出“Multiphysics FEA ”选项卡。它的上半部分为“Multiphysics FEA 树图”：

所有的模拟分析都可以从树图中依次选择各叶，并完成填写各叶对应的页面进行设置。单击各叶，对应的页面会显示在“Multiphysics FEA ”选项卡的下半部。有的叶前面会有双问号（??），这表示该叶对应的页面还未进行查看和设置。若在分析设置中碰到问题，可按“F1”键，程序自动弹出与当前设置内容相关的帮助文档。开始时，“Multiphysics FEA 树图”下方自动显示“分析”页面。 3. 分析页面设置。

物理性部分用于设置分析涉及的物理性。这里我们将勾选“热”和“流体”，表示将进行热、流体耦合分析。

勾选“多步”，表示将进行分步分析。多步功能多用于进行非线性分析，在这里使用可以查看模拟逐渐达到稳态的过程。勾选多步后出现非线性伪时间部分。在非线性伪时间处的增量改为“0.5”，其它保持不变。这样的设置表示分析自0时开始，至1时结束，分析共计2步，每步0.5时。设置好后，页面如下： 4. 模型、材料页面设置。

单击“模型”叶后会在“Multiphysics FEA 树图”下方显示模型页面：

模型页面可用于添加/删除材料叶，设置分析的单位系统、设置分析范围、设置实体网格类型等。

? 单击“添加新材料”可以在模型叶下增添材料叶。模拟中涉及材料数应等于材料叶

个数。在材料页面中可设置使用这种材料的实体，设置后将在材料叶下方增添实体叶，实体叶的实体使用上级材料叶对应的材料。“移除未用材料”用于删除多余的材料叶。

? 单位系统部分可以设置所用单位系统，包括MKS、CGS和mMKS等。

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? “仅分析显示的实体”用于在FEA分析中禁用掉已经隐藏的实体，这些实体将不被

包括到FEA分析中。用户可以右键材料叶和实体叶，将材料和实体禁用/启用。禁用的材料和实体将不包含在分析中。

? “把实体作为壳网格化”可在网格化时使用壳元素而不是实体元素。

这里使用2次“添加新材料”键，新添两个材料，再把默认材料换掉，这样我们就有了三个材料页面，可分别用于设置水、空气和热交换器的金属材料，并进行分配。

具体做法是，将默认材料叶的材料“类别”下拉菜单改为“流体”，然后在“材料名称”下拉菜单中选择“20C的水”。在材料物理性处勾选“热”和“流体”物理性，表示程序将使用材料的热和流体性质。默认所有实体在刚开始时使用默认材料（开始默认材料叶下有全部实体叶），这里热交换器外壳与内壁之间的、叫做“internal”的实体已经默认分配给了水。而热交换器和空气实体也被分配了水这种材料。我们不需担心，因为我们将在后面新建2个材料页面，分别分配给热交换器和空气，这样热交换器和空气的实体叶也将移至新的材料叶下。因此暂时可以不管水材料叶下的热交换器和空气。水材料的设置图如下：

单击材料页面上的“参数编辑”，可以更改、查看材料的线性参数。若勾选材料页面上的“启用非线性/各向异性性质”后再单击“参数编辑”键，可以更改、查看材料的非线性参数。这里我们更改、查看材料的线性参数，将材料的参数修改如下：

这样我们就完成了第一个材料的设置。现在开始第二个材料的设置。单击“Multiphysics FEA 树图”上的“模型”叶，显示到模型页面。在模型页面单击“添加新材料”，在出现的新材料页面中，将类别下拉菜单改为“流体”，材料名称下拉菜单改为“20C的空气”，然后单击“添加实体”，单击模型内部蓝色、名称为“Gas”的实体后，单击“接受”，这样就把内部的空气实体分配给了空气这种材料，同时勾选材料页面的“热”和“流体”，表示使用空气这种材料的热性质和流体性质：

单击材料页面上的“参数编辑”，将材料的参数修改如下：

这样我们就完成了第二个材料的设置。现在开始第三个材料的设置。单击“Multiphysics FEA 树图”上的“模型”叶，回到模型页面。在模型页面单击“添加新材料”，在出现的新材料页面将类别下拉菜单改为合金钢，材料名称下拉菜单的条目改为“20Cr”，然后单击“添加实体”，单击模型外部灰色、名称为“Heat Exchanger”和“Heat Exchanger inner”的实体后，单击“接受”，这样就把热交换器和空气之间的部分分配给了20Cr这种材料，同时勾选材料页面的“热”，表示仅使用20Cr这种材料的热性质： 单击材料页面上的“参数编辑”，当前材料的参数修改如下：

这样我们就完成了所有材料的设置。这时，模型叶下面有三个材料叶，其中20Cr材料叶下有两个实体叶，水和空气下各有一个实体叶： 5. 约束页面。

单击“Multiphysics FEA 树图”上的“约束”叶，会在“Multiphysics FEA 树图”下方显示约束页面：

当前约束页面显示了热和流体相关的约束。若用户在分析页面勾选了应力和电物理性，这里也将出现应力、电相关物理性的约束。用户还可使用高级约束添加接触、捆绑等高级约束。接下来的约束添加都将从这个页面开始。 6. 水入流温度

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自远方流向热交换器的水在进入前都是30度的。约束施加过程为：单击约束叶，单击约束页面的“温度”，显示“恒定温度”页面，将温度修改为30。用鼠标选择水入口面，即可将约束施加在入口面上：

可以看到“高级”键下方的时间因子图线显示，图线显示这里的约束是随时间线性增加、逐渐施加到模型上的。在0时不施加约束，在1时施加全部约束。通过这样的设置，约束被逐渐施加，我们可以看到模型是如何逐渐达到稳态的，也有利于结果收敛。根据分析页面的设置，分析共1时，分为两步，第一步0.5时，第一步结束时将施加0.5倍模量的边界条件。第2步时间全部边界条件。用户可使用“高级”键更改边界条件的时变情况。 接下来将设置时间因子，使该约束模量恒定约束，即温度一直为30，而不是由0线性增大到30。设置过程如下：首先，单击“高级”按钮，显示高级页面： 单击“设置本项目模量的时变情况”，弹出“时变关系输入”对话框：

勾选“分段线性”，并将开始一列中的载荷因子由0改为1。这样的设置表示时间为0时，施加的载荷模量=载荷模量*载荷因子=30*1。由此，（时间，载荷因子）在开始为（0,1），结束时为（1,1）。用直线连接仅有的两点得到新的该约束的分段线性曲线：

这样回到恒定温度页面，我们可以看到约束的时间因子图线发生了变化，即温度一直为30，而不是由0线性增大到30：

7. 流速约束——水和空气受热交换器壁限制，不会流出

单击约束叶，回到约束页面，单击约束页面的“速度 涡度 压强”，会在“Multiphysics FEA 树图”下方显示“恒定流体流速/涡度”页面。勾选x,y和z方向，速度列0保持不变，表示施加该约束的实体的流体流速在x,y和z方向均为0。

我们需约束流体（水和空气）和热交换器的接触面，表示流体不应穿过热交换器的表面。而在程序中，因为我们在热交换器对应的材料页面中未勾选“流体”物理性，由此，程序将自动识别有流体物理性的实体与无流体物理性的实体，并自动向有流体物理性的实体在接触面上施加约束，保证流体不会穿过无流体物理性的实体。所以，我们仅需向流体未与实体接触的面施加额外约束。

这里我们选择水对应实体的两个端面，用鼠标选择它们后，它们的名称会出现在实体框中。这样就把约束施加到这些面上了。

这里的约束表示容器中的流体被热交换器这样的容器表面限制，不会流出容器表面，且在容器表面切向的流速也为0。设置完成后，显示如下： 8. 恒定温度——空气入口温度恒定

热空气进入热交换器时温度为300。设置过程为：单击约束叶，单击约束页面的“温度”，显示“恒定温度”页面，将温度修改为300。选择气入口面：

接下来将设置时间因子，使该约束模量恒定约束。首先，单击“高级”按钮，显示高级页面：

单击“设置本项目模量的时变情况”，弹出“时变关系输入”对话框：

将开始一列中的载荷因子部分改为1。这样表示时间为0时，施加的载荷模量=载荷模量*载荷因子=300*1。由此，（时间，载荷因子）在开始为（0,1），结束时为（1,1）。用直线连接仅有的两点得到新的该约束的分段线性曲线：

这样回到恒定温度页面，我们可以看到约束的时间因子图线发生了变化： 9. 气体远方入流压强、速度设置。

远方入流/出流约束用于为简化模型而将其截短的问题中。如我们想模拟流体在很长的管道中流动、已稳定的情况。我们可以在很长的管道中进行模拟，但是为了加快计算，我们可以直接在短管中施加远方入流/出流约束，这样分析更快，且也能达到相当的效果。 问题中的流体在入流和出流的远方都有恒定的状态，因此需要远方入流/出流约束。施加方法为：单击约束叶，回到约束页面，单击约束页面的“入流/出流”，会在

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