14.5耦合实例4——Maxwell和FLUENT电磁热流耦合
本章的实例1中讲解了Maxwell软件与Mechanical软件对电磁温度耦合分析的操作实例，但是在自然界中由于流体场的存在，所以结构的温度往往会受到流体流动的影响而使温升分布变得不再对称。本节将通过Maxwell软件与Fluent软件之间的耦合计算在有流体存在的情况下结构件在高频磁场下的涡流损耗值及温升分布情况。 学习目标： 熟练掌握Maxwell的建模方法及三维涡流分析的肌肤效应及求解过程； 熟练掌握Fluent软件的损耗导入方法，同时掌握Fluent软件简单流体分析的一般步骤； 熟练掌握Maxwell软件及Fluent软件电磁热流耦合的分析方法 模型文件 结果文件 光盘\\model\\ThermaltoFluid.x_t 光盘\\char14\\ MagtoThemtoFluid.wbpj 14.5.1问题描述 如图14-164所示为一个几何模型，线圈通有频率为2500Hz大小为500A的电流（如图中剪头方向所示），在线圈的中心部位放置有一块材质为普通钢的钢块，钢块下方500mm处有有一通风口，风速为20m/s，温度为300K，钢块上方500mm处设置为自由出流。试分析钢块在上述工况下的温度场分布情况、风的流线图及风的温度分布云图。
图14-164几何模型
14.5.2软件启动与保存
Step1：启动Workbench。如图14-165所示，在Windows XP下单击“开始”→“所有程序”→ANSYS14.0→Workbench 14.0命令，即可进入Workbench主界面。
图14-165 Workbench启动方法
Step2：保存工程文档。进入Workbench后，单击工具栏中的
按钮，将文件保
存为“MagtoThemtoFluid”，单击Getting Started窗口右上角的（关闭）按钮将其关闭。
注意：本节算例需要用到ANSOFT Maxwell14.0软件，请读者进行安装； 由于ANSOFT Maxwell软件不支持保存路径中存在中文名，故在进行文档保存时，保存的路径不不能含有中文字符，否则会发生错误。
14.5.3导入几何数据文件
Step1：创建几何生成器。如图14-166所示，在Workbench左侧Toolbox（工具箱）的Analysis Systems中单击Maxwell 3D并按住左键不放将其拖到右侧的Project Schematic窗口中，此时即可创建一个如同EXCEL表格的项目A。
Step2：双击A2（Geometry）进入如图14-167所示的电磁分析环境，此时启动了Maxwell 3D软件。
图14-166项目A Step3：依次选择菜单Modeler→Import，在出现的Import File对话框中选择ThermaltoFluid.x_t几何文件，并单击打开按钮。
图14-167电磁分析环境
Step4：此时模型文件已经成功显示在Maxwell软件中，如图14-168所示，同时弹出Modal Analysis对话框，在对话框左侧的栏中显示的几何图形为Good表示数据读取无误，单击Close按钮。
图14-168读取的模型
Step5：选中图中的外面的立方体几何，如图14-169所示，然后进行如下操作： 选中外面的立方体，使其处于加亮状态；
单击Properties栏中的Transparent后面的按钮； 在弹出的对话框中将滑块从0位置移动到1的位置，这是外面的立方体几何将变成透明状态。
图14-169设置透明度
14.5.4求解器与求解域的设置
Step1：设置求解器类型。如图14-170所示，选择菜单栏中的Maxwell 3D→Solution Type…命令。
Step2：在弹出如图14-171所示的Solution Type对话框中选择Eddy Current（涡电流分析），单击OK按钮关闭Solution Type的对话框。
图14-170设置求解器类型
图14-171确定求解器类型
14.5.5赋予材料属性
Step1：赋予材料属性。在模型树中选择Box3模型名，单击右键在弹出的快捷菜单中选择Assign Material…命令，如图14-172所示，此时会弹出Select Definition对话框。 Step2：在如图14-173所示的Select Definition对话框中选择Aluminum材料并单击“确定”按钮，此时模型树中Box3的上级菜单由Not Assigned变成Aluminum，求解域默认为真空Vacuum。
图14-172赋予材料属性
图14-173材料库
Step3：同样，如图14-174所示，将Box4模型设置为steel stainless。
图14-174材料库
Step4：同样，如图14-175所示，将Box5模型设置为Vacuum。
图14-175材料库
14.5.6添加激励
Step1：创建激励。单击键盘f键，然后用鼠标左键选择如图14-176所示一个端面，单击右键在弹出的快捷菜单中选择Assigned Excitation→Current命令。
图14-176创建激励
Step2：此时会弹出如图14-177所示Current Excitation对话框，在该对话框作如下输入： 在Value中输入500；
在后面的单位选项栏中选择A；
在Type栏中选择Stranded，单击OK按钮，完成参数的设置。 Step3：同样，将线圈另外一个端面也设置为500A的电流，与上面操作步骤不同之处为：此处的电流方向设置为子里向外的，如图14-178所示，此时只需单击Swap Direction按钮即可完成相应的操作。
图14-177设置激励数值
图14-178设置激励
Step4：右键单击Box4，如图14-179所示，在弹出的快捷菜单中依次选择Assign Excitation→Set Eddy Effects„命令，并勾选弹出的对话框中的Box4项，设置涡流效应。
图14-179涡流设置
Step5：选择Box4几何，右键单击Project Manager→Mesh Operation，在弹出如图14-180所示快捷菜单中依次选择Assign→On Selection→Skin Depth Based„，在弹出的对话框中如图下设置：
在Skin Depth Based Refinement对话框中单击Calculate Skin Depth„命令；
在弹出的Calculate Skin Depth对话框中的Frequency栏中输入2500，单位选择Hz，并单击OK按钮；
在Skin Depth Based Refinement对话框中单击OK按钮。
图14-180集肤深度
Step6：右键单击Project Manager→Analysis，如图14-181所示，在弹出的快捷菜单中选择Add Solution Setup命令，添加求解器。
Step7：此时弹出如图14-182所示求解器设置对话框，选择Solve选项卡，在选项卡中作如下设置：
在Adaptive Frequency栏中输入2500，设置频率为2500Hz； 勾选Use higher order shape function选项，选择高级形函数；
其余保持默认，单击确定按钮。
图14-181添加求解器
图14-182求解器设置
14.5.7模型检查与计算
通过上面的操作步骤，有限元分析的前处理工作全部结束，为了保证求解能顺利完成计算，需要先检查一下前处理的所有操作是否正确。
Step1：模型检查。单击工具栏上的按钮出现如图14-183所示的Validation Check对话框，绿色对号说明前面的基本操作步骤没有问题。 注意：如果出现了行检查。
，说明前处理过程中某些步骤有问题，请根据右侧的提示信息进
Step2：求解计算。右键单击Project Manager中的Analysis→Setup1命令，在弹出的快捷菜单中选择如图14-184所示的Analyze命令，进行求解计算，求解需要一定的时间。
图14-183模型检查
图14-184求解模型
14.5.8后处理
Step1：显示磁场分布云图。求解完成后，选中几何模型树中的Planes→Global：XZ平面，单击右键在弹出如图14-185所示的快捷菜单中选择Field→H→Mag_H命令，此时将弹出Create Field Plot对话框。
图14-185后处理操作
Step2：在弹出如图14-186所示的Create Field Plot对话框中的Quantity中选择Mag_H，在In Volume中选择AllObject。并单击Done按钮如图14-186所示。
图14-185选择后处理实体
图14-186磁场分布云图
Step3：同理操作如图14-187所示为磁场矢量图。
图14-187磁场矢量图
Step4：钢块的涡电流密度分布云图如图14-188所示。
Step5：钢块损耗分布。选中Box4，单击右键在弹出的快捷菜单中依次选择Field→Other→Ohmic-Loss命令，如图14-189所示为Box4的损耗分布。
图14-188涡电流密度分布云图
图14-189后处理操作
Step6：选择Maxwell 3D→Fields→Calculator„，在弹出如图14-190所示计算器中作如下操作：
单击Quantity按钮，在下拉列表中选择Ohmic Loss选项； 单击Geometry„按钮，在弹出的Geometry对话框中点选Volume，然后选择Box4选项，并单击OK按钮；
单击∫按钮，最后单击Eval按钮进行计算，计算得到的损耗值为221.7w。
图14-190总损耗值
Step7：关闭Maxwell平台。
14.5.9创建流体力学分析和数据共享
Step1：回到Workbench窗口中，在如图14-191所示的表格A4（Solution）上单击右键，在弹出的快捷菜单中选择Transfer Data To New→Fluid Flow (FLUENT)命令，此时会在A表的右侧出现一个B表，同时出现A4与B4连接曲线，这说明A4的结果数据可以作为B4的外载荷使用。
图14-191创建耦合的流体动力分析模型
Step2：几何模型数据读入。单击A2（Geometry）直接拖拽到B2（Geometry）栏中如图14-192所示。
图14-192几何数据传递
14.5.9DM中几何数据文件
Step1：双击项目B中的B2（Geometry）进入如图14-193所示的流体分析环境，此时启动了DM软件。选择mm单位，并单击OK按钮。
图14-193几何创建平台
Step2：在DesignModeler平台的工具栏中单击按钮生成几何文件。 Step3：此时模型文件已经成功显示在DM软件中，如图14-194所示，。 Step4：抑制几何。单击Box3和Box5两个文件名，单击右键，在弹出的如图14-195所示的快捷菜单中选择Suppress Body命令。
图14-194几何模型
图14-195 抑制几何模型
Step5：创建流体域。单击工具栏中的Tools→Enclosure命令，在弹出的如图14-196所示的面板中作如下操作：
在Shape栏中选择Cylinder选项，设置区域类型为圆柱；
在Cylinder Alignment栏中选择Z-Axis选项，设置圆柱方向为沿着Z轴； 在FD1，Cushion„栏中输入50；
在FD2，Cushion„栏中输入500； 在FD3，Cushion„栏中输入500；
在Target Bodies栏中选择Selected Bodies选项；
在Bodies栏中选择实体，此时Bodies栏中显示1，表示一个实体被选中，其余默认即可，并单击工具栏中
按钮完成流体域的创建，如图14-197所示。
图14-196 创建流体域
图14-197 流体域
Step6：平面命名inlet。选择几何实体的左侧（Z坐标最小处）面，单击右键，在弹出的如图14-198所示快捷菜单中选择Named Selection命令： 在出现的Details View面板中的Named Selection栏中输入inlet；
在Geometry栏中单击Apply按钮，此时Geometry栏中出现1Face字样，表示一个面被选中；
其余保持默认，单击工具栏中的
按钮确定平面命名。
图14-198 inlet命名
Step7：平面命名outlet。选择几何实体的左侧（Z坐标最大处）面，单击右键，在弹出的如图14-199所示快捷菜单中选择Named Selection命令：
在出现的Details View面板中的Named Selection栏中输入outlet； 在Geometry栏中单击Apply按钮，此时Geometry栏中出现1Face字样，表示一个面被选中；
其余保持默认，单击工具栏中的
按钮确定平面命名。
图14-199 outlet命名
Step8：平面命名outwall。选择流固几何交界面的流体三个侧面，单击右键，在弹出的如图14-200所示快捷菜单中选择Named Selection命令：
在出现的Details View面板中的Named Selection栏中输入outwall； 在Geometry栏中单击Apply按钮，此时Geometry栏中出现1Face字样，表示一个面被选中；
其余保持默认，单击工具栏中的
按钮确定平面命名。
图14-200outwall命名
Step9：关闭DesignModeler平台。 14.5.10传递数据
Step1：传递数据。右键Workbench平台中项目A中的A4（Solution），在弹出如图14-201所示快捷菜单中选择Update命令，更新数据。
图14-201更新数据
14.5.11网格设置
Step1：双击项目B中的B3（Mesh）选项，此时弹出如图14-202所示的网格剖分平台。 Step2：右键单击Mesh命名，在弹出的如图14-203所示快捷菜单，在菜单中依次选择Insert→Sizing命令，此时会出现“Details of‘Edge Sizing’”面板，在面板中可以进行网格尺寸设置。
图14-202网格划分平台
图14-203快捷菜单
Step3：在如图14-204所示的“Details of‘Edge Sizing’”面板作如下操作：
在Geometry栏中确保圆柱体两个圆边被选中，此时Geometry栏中显示2Edges，表示供选择了2条边；
在Type栏中选择Number of Division选项；
在Number of Division栏中输入100，将网格划分成100份； 其余保持默认。
Step4：在如图14-205所示的“Details of‘Edge Sizing 2’”面板作如下操作：
在Geometry栏中确保钢块和流体域中与钢块重合的所有边被选中，此时Geometry栏中显示24Edges，表示供选择了24条边；
注：可以使用框选命令，具体使用方法请参考第二章节相关内容。 在Type栏中选择Number of Division选项；
在Number of Division栏中输入10，将网格划分成10份； 其余保持默认。
图14-204面板设置
图14-205面板设置
Step5：右键单击Mesh命令，弹出的如图14-206所示的快捷菜单中依次选择Insert→Inflation命令。
图14-206面板设置
Step6：在Geometry栏中选择流体几何，在Boundary栏中选择流体外表面如图14-207所示。
Step7：右键并单击工具栏中的
生成网格如图5-208所示。
图14-207膨胀层设置
a)流体网格 b)实体网格截面
图14-208网格模型
Step8：网格设置完成后，关闭Mechanical网格划分平台，回到Workbench平台。 Step9：在Workbench平台中右键单击项目A中的A3（Mesh）命令，在弹出的如图14-209所示的快捷菜单中选择Update命令，更新网格划分数据。
图14-209更新数据
14.5.12进入Fluent平台
Step1：Fluent前处理操作。双击项目A中的A4（Setup）命令，此时弹出如图14-210所示的Fluent启动设置对话框，保持对话框中的所有设置为默认即可，单击OK按钮。
Step2：此时出现如图14-211所示Fluent设置界面。
图14-210启动对话框
图14-211Fluent平台
Step3：单击命令树中的General命令，在操作面板中单击Check按钮，检查最小体积是否出现负数。
Step4：选择Models命令，在Models面板中双击Viscous命令，在弹出如图14-212所示Viscous Models对话框中选择K-epsilon（2eqn）命令，其余保持默认，并单击OK按钮确认模型选择。
图14-212模型选择
Step5：选择Models命令，在Models面板中双击Energy命令，在弹出如图14-213所示Energy对话框中勾选Energy Equation选项，并单击OK按钮确认选择。
图14-213设置能量方程
14.5.13材料选择
Step1：材料库。单击命令树中的Materials命令，然后在Materials面板选择Solid，在单击Create/Edit„按钮，在弹出如图14-214所示的Create/Edit Materials对话框选择右侧的FLUENT Database„按钮，在弹出的FLUENT Database Materials对话框中的Material Type栏中选择Solid选项，然后在左侧的FLUENT Solid Materials栏中选择steel选项并单击Copy按钮。
图14-214材料库
14.5.14设置几何属性
Step1：设置几何属性。选择命令树中的Cell Zone Conditions命令，在Cell Zone Conditions面板中的Zone栏中选择box4几何名，然后将Type设置为Solid，如图14-215所示。
Step2：在弹出如图14-216所示的Solid对话框中作如下操作：
在Materials栏中选择steel，设置实体为steel； 勾选Source Terms选项设置源；
单击Edit„按钮，在弹出的Energy sources对话框中的Number of 输入Energy sources栏中输入1，表示设置为1个热源，并单击OK按钮。
图14-215设置几何属性
图14-216设置热源
Step3：在弹出如图14-217所示，设置Solid几何体为fluid，材料为air，其余默认即可。
图14-217设置几何属性
14.5.15流体边界条件
Step1：单击命令树中的Boundary命令，在Boundary Condition面板的Zone中选择inlet选项，在Type栏中选择velocity-inlet选项。
Step2：设置入口速度。在弹出的如图14-218所示的velocity-inlet对话框中作如下设置： 在velocity Magnitude（m/s）栏中输入入口流速为20m/s； 其余保持默认并单击OK按钮。
图14-218设置入口速度
Step3：单击命令树中的Boundary命令，在Boundary Condition面板的Zone中选择outlet选项，在Type栏中选择Outflow选项，如图14-219所示。
图14-219设置自由出流
Step4：单击命令树中的Boundary命令，在Boundary Condition面板的Zone中选择wall-6选项，在Type栏中选择wall选项，在弹出的Thermal选项卡中的Material Name栏中选择steel并单击OK按钮，如图14-220所示。
图14-220设置耦合面
Step5：导入热源。如图14-221所示，单击File菜单中的EM Mapping→Volumetric Energy Source„命令。
Step6：在弹出的如图14-222所示的Maxwell Mapping对话框中单击OK按钮。 Step7：经过一段时间的处理，在Fluent的TUI窗口中出现如图14-223所示的损耗数据，数据显示总损耗为221.7w，此数据与之前Maxwell中计算的得到的数据一致。
图14-221菜单
图14-222热源数据
图14-223损耗值
14.5.16求解器设置
Step1：选择命令树中的Solution Initialization命令，在如图14-224所示的操作面板中作如下操作：
在Initialization Methods栏中选择Standard Initialization选项； 在Compute from栏中选择inlet选项，其余默认即可，并单击Initialize按钮。
Step2：选择命令树中的Run Solution命令，在如图14-225所示的操作面板中作如下操作：
在Number of Iteratioins栏中输入200，其余保存默认即可，单击Calculate按钮。
图14-224初始化
图14-225步长设置
Step3：如图14-226（a）所示为Fluent正在计算过程。
Step4：求解完成后会出现如图14-226（b）所示的对话框，单击OK确认。
（a）求解过程
（b）求解完成提示框
图14-226求解计算
Step5：后处理操作。选择命令树中的Results→Graphics and Animations，如图14-227所示，在Graphics and Animations面板中的双击Contours选项。
Step6：在弹出的如图14-228所示的Contours对话框中作如下操作： 在Contours of栏中选择Velocity„；
在Surfaces栏中单击按钮，选择所有边界； 其余保持默认即可并单击Display按钮。
图14-227后处理命令
图14-228后处理操作
Step7：如图14-229所示为流速分布云图。
图14-229流速云图
Step8：如图14-230所示为流速矢量云图。
图14-230流速矢量云图
Step9：如图14-231所示为温度分布云图。
图14-231温度分布云图
Step10：关闭Fluent平台。
14.5.17CFD—Post后处理操作
Step1：如图14-232所示为CFD-Post专业后处理器平台。
图14-232 CFD-Post专业后处理器平台
Step1：在工具栏中单击Location→Plane命令，如图14-233所示，保持平面名称默认，创建平面。
Step2：在出现的如图14-234所示的Details of Plane1面板中作如下设置：
在Method栏中选择ZX Plane；
在Y栏中输入0.0[m]，其余保持默认并单击Apply按钮。
图14-233创建平面
图14-234面板
Step3：此时创建如图14-235所示的平面，在此平面中可以显示流场温度场分布等的后处理。
图14-235平面
Step4：单击工具栏中的按钮，在弹出的对话框中保持默认，单击OK。 Step5：在如图14-236所示的Details of Contour1面板中作如下设置： 在Locations栏中选择刚刚建立的Plane 1；
在Variable栏中选择Temperature选项；
在# of Contours栏中输入110，其余默认并单击Apply按钮。
Step6：如图14-237所示为共轭传热的实体与流场温度分布云图，从图中可以看热流耦合的温度分布情况。
图14-236面板
图14-237温度分布云图
Step7：单击工具栏中的按钮，在弹出的对话框中保持默认，单击OK。 Step8：在如图14-238所示的Details of Streamline1面板中作如下设置： 在Start From栏中选择刚刚建立的Plane 1；
在# of Points栏中输入100，其余默认并单击Apply按钮。 Step9：如图14-239所示为流速分布云图。
图14-238面板
图14-239流速分布云图
Step10：关闭CFD-Post平台。 Step11：返回到Workbench窗口，单击
按钮保存文件，然后单击
按钮退出。
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