目录
第一阶段：球阀设计
打开模型 …………………………………………………………………………… 1-1 创建 EFD.Lab 项目………………………………………………………………… 1-2 边界条件 …………………………………………………………………………… 1-5 定义工程目标 ………………………………………………………………………… 1-7 求解 …………………………………………………………………………………… 1 - 8 监测求解过程……………………………………………………………………… …1-8 调整模型透明度 ………………………………………………………………………1-10 切面云图 …………………………………………………………………………… 1-10 表面云图 ……………………………………………………………………………… 1-11 等值图 ……………………………………………………………………………… 1-12 流动迹线图 ………………………………………………………………………… 1-13 XY 图 ……………………………………………………………………………… 1-15 表面参数 ………………………………………………………………………………1-16 分析球形部分中一个设计变化 ……………………………………………………… 1-16 复制项目 …………………………………………………………………………… 1-19 分析 EFD.Lab 应用中的一个设计变化 …………………………………………… 1-19
EFD.Lab 8 教程 I
第一阶段：耦合热交换
打开模型 ……………………………………………………………………………… 2-1 准备模型 …………………………………………………………………………… 2-2 创建 EFD.Lab 项目 ………………………………………………………………… 2-3 定义风扇 ……………………………………………………………………………… 2-6 定义边界条件 ………………………………………………………………………… 2-8 定义热源 ……………………………………………………………………………… 2-9 创建新材料 ………………………………………………………………………… 2-10 定义固体材料 ………………………………………………………………………… 2-10 定义工程目标 ………………………………………………………………………… 2-11
定义体积目标 …………………………………………………………………… 2-11 定义表面目标 …………………………………………………………………… 2-13 定义全局目标 …………………………………………………………………… 2-14
改变几何求解精度 ………………………………………………………………… 2-15 求解 ………………………………………………………………………………… 2-16 观察目标 ……………………………………………………………………………… 2-16 流动迹线图 ………………………………………………………………………… 2-17 切面云图 …………………………………………………………………………… 2-19 表面云图 …………………………………………………………………………… 2-22
EFD.Lab 8 教程 II
第一阶段：多孔介质
打开模型 ……………………………………………………………………………… 3-2 创建 EFD.Lab 项目 ………………………………………………………………… 3-2 定义边界条件 ………………………………………………………………………… 3-4 创建一个等向性的多孔介质 ……………………………………………………… 定义多孔介质－等向性 ………………………………………………………
3-5 3-7
定义表面目标 ………………………………………………………………………… 3-7 定义方程目标 ……………………………………………………………………… 3-8 求解 …………………………………………………………………………………… 3-9 观察目标 ……………………………………………………………………………… 3-10 流动迹线图 …………………………………………………………………………… 3-10 复制项目 ……………………………………………………………………………… 3-11 创建一个单向性的多孔介质 ………………………………………………………… 3-12 定义多孔介质－单向性 ……………………………………………………………… 3-12 比较等向性和单向性多孔介质 ……………………………………………………… 3-13
确定水力损失
模型描述 …………………………………………………………………………… 4-2 创建项目 ……………………………………………………………………………… 4-3 定义边界条件 ………………………………………………………………………… 4-7 定义表面目标 ………………………………………………………………………… 4-8 运行计算 ……………………………………………………………………………… 4-9 监测计算 ……………………………………………………………………………… 4-10 复制项目 ……………………………………………………………………………… 4-10 创建切面云图 ………………………………………………………………………… 4-11
EFD.Lab 8 教程 III
参数列表使用 ………………………………………………………………………… 4-14 创建全局目标 ………………………………………………………………………… 4-15 计算器使用 …………………………………………………………………………… 4-16 改变几何参数 ………………………………………………………………………… 4-18
圆柱体阻力系数
创建项目 …………………………………………………………………………… 5-2 定义 2D 流动平面 ………………………………………………………………… 5-6 定义全局目标 ……………………………………………………………………… 5-7 定义方程目标 ……………………………………………………………………… 5-7 复制项目并且创建一个新例子 …………………………………………………… 5-8 改变项目设置 ……………………………………………………………………… 5-9 改变方程目标 ……………………………………………………………………… 5-10 创建模板 …………………………………………………………………………… 5-10 以模板方式创建一个项目 ………………………………………………………… 5-11 求解一系列项目 …………………………………………………………………… 5-12 获取结果 …………………………………………………………………………… 5-12
热交换系数
打开模型 …………………………………………………………………………… 6-2 创建项目 …………………………………………………………………………… 6-3 对称边界条件 ……………………………………………………………………… 6-5 定义流体子区域 …………………………………………………………………… 6-6 定义边界条件 ……………………………………………………………………… 6-7 定义固体材料 ……………………………………………………………………… 6-10 定义体积目标 ……………………………………………………………………… 6-11 运行求解 …………………………………………………………………………… 6-11 观察目标 …………………………………………………………………………… 6-12
EFD.Lab 8 教程 IV
创建切面云图 ……………………………………………………………………… 6-12 显示流动迹线图 …………………………………………………………………… 6-14 计算表面参数 ……………………………………………………………………… 6-16 计算热交换系数 …………………………………………………………………… 6-18 定义参数显示范围………………………………………………………………… 6-18
网格优化
问题描述 …………………………………………………………………………… 7-2 模型定义 …………………………………………………………………………… 7-3 定义项目 …………………………………………………………………………… 7-3 边界条件 …………………………………………………………………………… 7-3 手动设置最小网格间隙尺寸 ……………………………………………………… 7-7 关闭自动网格定义 ………………………………………………………………… 7-9 生成网格如下所示，约75000网格单元
使用Local Intial Mesh 选项 ………………………………………………… 7-10 定义控制平面 ……………………………………………………………………… 7-12 再创建一个局部初始网格 ………………………………………………………… 7-14
EFD Zooming的应用
问题描述 …………………………………………………………………………… 8-1 两种使用 EFD.Lab 进行求解问题的方式 ………………………………………… 8-3 EFD Zooming 方法步骤 …………………………………………………………… 8-3
EFD Zooming 第一阶段 ……………………………………………………… 8-4 EFD Zooming 项目第一阶段 ………………………………………………… 8-4 EFD Zooming 第二阶段 ……………………………………………………… 8-8 EFD Zooming 项目第二阶段 ………………………………………………… 8-8 改变散热器 …………………………………………………………………… 8-14 复制项目到存在的模型定义 ………………………………………………… 8-14
EFD.Lab 8 教程 V
局部初始化网格方法 ……………………………………………………………… 8-15
使用局部初始化网格方法的 EFD.Lab 项目 (Sink No1) …………………… 8-15 使用局部初始化网格方法的 EFD.Lab 项目 (Sink No2) …………………… 8-18 结果 ………………………………………………………………………………… 8-18
纺织机械
问题描述 …………………………………………………………………………… 9-1 模型定义 …………………………………………………………………………… 9-2 定义项目 …………………………………………………………………………… 9-3 边界条件 …………………………………………………………………………… 9-3 定义旋转壁面 ……………………………………………………………………… 9-4 初始条件－旋转 …………………………………………………………………… 9-5 定义目标 …………………………………………………………………………… 9-6 结果－光滑表面 …………………………………………………………………… 9-7 显示粒子流和流动迹线 …………………………………………………………… 9-8 模拟粗糙旋转壁面 ………………………………………………………………… 9-10 改变壁面粗糙度 …………………………………………………………………… 9-10 结果－粗糙壁面 …………………………………………………………………… 9-11
EFD.Lab 8 教程 VI
圆形通道中的非牛顿流体流动
问题描述 ……………………………………………………………………………… 10-1 模型定义 ……………………………………………………………………………… 10-2 定义非牛顿流体 ……………………………………………………………………… 10-2 定义项目 ……………………………………………………………………………… 10-2 边界条件 ……………………………………………………………………………… 10-3
定义目标 ………………………………………………………………………… 10-3 与流体水进行比较 …………………………………………………………………… 10-4
改变项目设置 …………………………………………………………………… 10-4
具有反射镜和屏幕的加热球
问题描述 …………………………………………………………………………… 11-1 模型结构 …………………………………………………………………………… 11-2 案例 1 ……………………………………………………………………………… 11-3
定义项目 ……………………………………………………………………… 11-3 定义计算域 …………………………………………………………………… 11-3 调整自动网格设置 …………………………………………………………… 11-4 定义辐射表面 ………………………………………………………………… 11-4 定义物体对于热辐射的可穿透性 …………………………………………… 11-5 热源和目标定义 ……………………………………………………………… 11-5 案例 2 ……………………………………………………………………………… 11-6
改变辐射表面状况 …………………………………………………………… 11-6 定义全局目标 ………………………………………………………………… 11-6 定义固体的初始条件 ………………………………………………………… 11-6
EFD.Lab 8 教程 VII
案例 3 ……………………………………………………………………………… 11-6 结果 ………………………………………………………………………………… 11-7
旋转叶轮
问题描述 ……………………………………………………………………………… 12-1 模型定义 ……………………………………………………………………………… 12-2 定义项目 ……………………………………………………………………………… 12-2 边界条件 ……………………………………………………………………………… 12-3
定义静止壁面 …………………………………………………………………… 12-4 叶轮效率 ……………………………………………………………………………… 12-4 定义项目目标 ………………………………………………………………………… 12-5 结果 …………………………………………………………………………………… 12-7
CPU 冷却器
问题描述 ……………………………………………………………………………… 13-1 模型定义 ……………………………………………………………………………… 13-2 定义项目 ……………………………………………………………………………… 13-2 定义计算域 …………………………………………………………………………… 13-2 旋转区域 ……………………………………………………………………………… 13-3 定义静止壁面 ………………………………………………………………………… 13-5 固体材料 ……………………………………………………………………………… 13-6 热源 …………………………………………………………………………………… 13-6 初始网格设置 ………………………………………………………………………… 13-7
EFD.Lab 8 教程 VIII
定义项目目标 ………………………………………………………………………… 13-9 结果 …………………………………………………………………………………… 13-11
EFD.Lab 8 教程 IX
特性列表
下面罗列了出现在教程中的 EFD.Lab 相应的物理和界面特性。如果想了解更多关于某一特性的使用，可以直接参考相应的案例。
第第第确圆热网E纺圆具旋C一一一定柱交格F织形有转P阶阶阶水体换优D机通反叶U 段段段力阻系化 缩械 道射轮 冷中镜 却：：：损力数 放 的和器 球耦多失 系 的非屏 阀合孔 数 应牛幕设热介 用 顿的计 交质 流加 换 体热 流球 动 流动维数 2D 流动 3D 流动 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √
EFD.Lab 8 教程 X
第第第确圆热网E纺圆具旋C一一一定柱交格F织形有转P阶阶阶水体换优D机通反叶U 段段段力阻系化 缩械 道射轮 冷中镜 却：：：损力数 放 的和器 球耦多失 系 的非屏 阀合孔 数 应牛幕设热介 用 顿的计 交质 流加 换 体热 流球 动 分析类型 外部分析 内部分析 物体特性 稳态分析 瞬态分析 流体 气体 非牛顿流体 多种流体 流动子区域 固体导热 仅仅固体导热 重力效应 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √
EFD.Lab 8 教程 XI
第第第确圆热网E纺圆具旋C一一一定柱交格F织形有转P阶阶阶水体换优D机通反叶U 段段段力阻系化 缩械 道射轮 冷中镜 却：：：损力数 放 的和器 球耦多失 系 的非屏 阀合孔 数 应牛幕设热介 用 顿的计 交质 流加 换 体热 流球 动 仅仅层流 多孔介质 辐射 粗糙 两相流 旋转 全局旋转参考系 局部旋转区域 边界条件 计算域 对称 初始和环境条件 速度参数 相关性 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √
EFD.Lab 8 教程 XII
第第第确圆热网E纺圆具旋C一一一定柱交格F织形有转P阶阶阶水体换优D机通反叶U 段段段力阻系化 缩械 道射轮 冷中镜 却：：：损力数 放 的和器 球耦多失 系 的非屏 阀合孔 数 应牛幕设热介 用 顿的计 交质 流加 换 体热 流球 动 热力学参数 湍流参数 浓度 固体参数 边界条件 开口流动 入口质量流 入口体积流 出口体积流 入口速度 压力开口 静压 环境压力 壁面 真实壁面 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √
EFD.Lab 8 教程 XIII
第第第确圆热网E纺圆具旋C一一一定柱交格F织形有转P阶阶阶水体换优D机通反叶U 段段段力阻系化 缩械 道射轮 冷中镜 却：：：损力数 放 的和器 球耦多失 系 的非屏 阀合孔 数 应牛幕设热介 用 顿的计 交质 流加 换 体热 流球 动 边界条件参数 移动边界条件 风机 体积边界条件 流体子区域 初始条件 数度参数 相关性 固体参数 固体材料 多孔介质 热源 表面热源 热耗率 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √
EFD.Lab 8 教程 XIV
第第第确圆热网E纺圆具旋C一一一定柱交格F织形有转P阶阶阶水体换优D机通反叶U 段段段力阻系化 缩械 道射轮 冷中镜 却：：：损力数 放 的和器 球耦多失 系 的非屏 阀合孔 数 应牛幕设热介 用 顿的计 交质 流加 换 体热 流球 动 体积热源 温度 热耗率 辐射表面 黑体壁面 白体壁面 定义项目 向导和导航 来自模板 复制项目 常规设置 复制项目特性 目标 全局目标 表面目标 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √
EFD.Lab 8 教程 XV
第第第确圆热网E纺圆具旋C一一一定柱交格F织形有转P阶阶阶水体换优D机通反叶U 段段段力阻系化 缩械 道射轮 冷中镜 却：：：损力数 放 的和器 球耦多失 系 的非屏 阀合孔 数 应牛幕设热介 用 顿的计 交质 流加 换 体热 流球 动 体积目标 点目标 方程式目标 网格设置 初始化网格 自动设置 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √√初始化网格层次 最小化网格间隙 最小化壁面厚度 手动调整 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 控制平面 固体/流体分界面 狭长通道 局部初始化网格 手动调整
EFD.Lab 8 教程 XVI
第第第确圆热网E纺圆具旋C一一一定柱交格F织形有转P阶阶阶水体换优D机通反叶U 段段段力阻系化 缩械 道射轮 冷中镜 却：：：损力数 放 的和器 球耦多失 系 的非屏 阀合孔 数 应牛幕设热介 用 顿的计 交质 流加 换 体热 流球 动 精炼网格 狭长通道 工具 相关性 定制单位 工程数据库 用户定义项目 检查几何模型 气体动力学计算器 工具栏 过滤器 元件控制 辐射穿透体 计算控制选项 确定结果精度 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √
EFD.Lab 8 教程 XVII
第第第确圆热网E纺圆具旋C一一一定柱交格F织形有转P阶阶阶水体换优D机通反叶U 段段段力阻系化 缩械 道射轮 冷中镜 却：：：损力数 放 的和器 球耦多失 系 的非屏 阀合孔 数 应牛幕设热介 用 顿的计 交质 流加 换 体热 流球 动 运行计算 成批计算 监测计算 全局平面 预览 获取结果 切面云图 表面云图 等值面云图 流动迹线 粒子流研究 XY 图 表面参数 全局平面图 显示参数 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √
EFD.Lab 8 教程 XVIII
第第第确圆热网E纺圆具旋C一一一定柱交格F织形有转P阶阶阶水体换优D机通反叶U 段段段力阻系化 缩械 道射轮 冷中镜 却：：：损力数 放 的和器 球耦多失 系 的非屏 阀合孔 数 应牛幕设热介 用 顿的计 交质 流加 换 体热 流球 动 显示模式 显示/隐藏仿真模型 透明度 应用灯光效应 观察设置 等值线 矢量 流动迹线 等值面 选项 使用 CAD 几何模型 显示网格 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √
EFD.Lab 8 教程 XIX
第一章 第一阶段：球阀设计
第一段：球阀设计
第一阶段教程首先包括了水流经一个球阀装置以及随后的一些设计改变。这个教程的目的是展现如何方便快速的使用 EFD.Lab 进行流体流动仿真和快捷的进行分析设计变量。对于想要确定设计变化所产生影响的工程师而言，EFD.Lab 这两大优点正是他们所需要的。
打开模型
1. 复制 First Steps - Ball Valve 文件夹到你的工作目录，此外由于 EFD.Lab 在运行时会对其输入的数据进行存储，所以必须确保文件处于非只读状态。运行 EFD.Lab。 2. 点击 File，Open。在Open 对话框，浏览 First Steps - Ball Valve 文件夹，找到 ball_valve.SLDASM 文件，点击Open (或双击此文件)。
这是一个球阀，旋转把手可以开启或关闭阀门。其旋转的角度控制开启阀门的开启角度。
3. 通过点击特性管理设计树中的特性显示 lids （Lid
<1> 和 Lid<2>）。 我们用 EFD.Lab 对这个模型进行仿真时不做任何的改动。只需要使用 LID 来封闭内部空间。在这个例子中 LID 被设置成半透明的状态，以便我们可以清楚的看到阀门内部的状况。 EFD.Lab 8 教程 1－1
第一章 第一阶段：球阀设计
创建 EFD.Lab 项目
1. 点击 Flow Analysis，Project，Wizard。 2. 如果已经在向导状态，直接选择Create new，以便创建一个新的配置并且命名为 Project 1。 EFD.Lab 将创建一个新的例子并且在一个新的文件夹中存储所有的数据。 点击 Next。 3. 选择系统单位 (这个项目使用 SI)。请时刻谨记在完成向导设置之后的任何时候都可以通过点击 Flow Analysis，Units 来改变系统单位。 在 EFD.Lab 中有几个预先已经定义好的系统单位。你可以在任何时候定义你自己所需要的系统单位并对他们进行相互间的转换。 点击 Next。 4. 保持默认的 Internal 分析类型。不要包括任何物理特性。 我们想要进行一个流经整个结构内部的分析。这一研究我们称之为内部分析。与之相对应，还有一种外部分析，其特征是流体围绕着某个物体。在这一对话框中，你也可以选择忽略掉与流动分析不相关的空腔。以便 EFD.Lab 仿真不会耗费内存和 CPU 资源去考虑它们。 EFD.Lab 不仅仅可以计算流体流动，而且可以计算固体内部的导热，除此之外还可以计算表面之间的辐射状况。当然还可以进行瞬态分析。在分析自然对流问题的时候应该考虑重力效应。另外也可以对旋转的物体进行分析。在这一个教程中我们暂且跳过这些特性，因为我们这个简单的球阀教程还没有涉及到这些特性。 点击 Next。
EFD.Lab 8 教程 1－2
第一章 第一阶段：球阀设计
5. 在 Fluids 中展开 Liquids 项并且选择 Water作为流体。你也可以双击 Water 或者在树型结构中选择这一项并点击 Add。 EFD.Lab可以在一个分析例子中计算多种流体，但不同流体之间必须由壁面进行分隔。只有当流体是同一类型的时候，混和流体的情况才可以进行分析考虑。 EFD.Lab 有一个包含了多种液体，气体和固体的综合性数据库。其中固体可以用于耦合的导热分析。当然你也可以方便的创建你自己的材料。在每一个仿真分析时可以有多达10种的液体和气体同时被选择。 EFD.Lab也可以对任意流态的流体进行分析计算。纯湍流，纯层流，或者湍流和层流兼有的情况。如果流动完全处于层流，可以忽略湍流模型。EFD.Lab 也可以处理低马赫数或者高马赫数的不可压流体。对于这个球阀教程，我们使用一种流体进行流动仿真并且保持默认的流动特性。 点击 Next。 6. 点击 Next 接受默认的壁面条件。 由于我们选择不考虑固体内部的导热情况，所以我们要对接触流体的表面定义一个换热系数。这一步处于设置默认的壁面类型中。保留默认的Adiabatic wall 定义壁面为完全绝热。 你也可以对壁面设定粗糙度的值，默认情况下这一值会应用到所有模型壁面。对于一个具体的某个壁面设置粗糙度，你可以定义一个 Real Wall 边界条件。定义粗糙度通过 RZ值来实现。 EFD.Lab 8 教程 1－3
第一章 第一阶段：球阀设计
7. 点击 Next 接受默认的初始条件。
在这一设置阶段，我们可以改变对于压力，温度和速度的默认设置。与最终仿真计算值越接近的初始值，可以加快仿真计算的时间。由于我们对于这个球阀教程最后的仿真结果不了解，所以我们对初始条件不做修改。 8. 接受默认的 Result Resolution。
Result Resolution 是对仿真结果精度的设定。它不仅仅控制求解的网格，而且对于求解设定了许多参数，例如：收敛标准。越高的 Result Resolution，会产生越精细的网格，同时产生越严格的收敛标准。因此，Result Resolution 确定了在计算精度和计算时间之间的平衡。当模型中有一些小的几何特征时，输入一个最小间隙尺寸和最小壁面厚度是相当重要的。精确的设置这些值可以确保模型中，细小的几何特征不会被网格所忽略。对于我们这个球阀模型，我们输入流动通道的最小值作为最小缝隙尺寸。 点击 Manual specification of the minimum gap size 对话框。输入0.0093 m（最小流动通道大小）。
点击 Finish。
现在 EFD.Lab 利用赋值数据的方式创建了一个新的例子。 点击 Configuration Manager 显示新的定义。
注意新的定义名称是你在向导中所输入的名称。
点击 EFD.Lab Analysis Tree 按钮并且打开所有图标。
EFD.Lab 8 教程 1－4
第一章 第一阶段：球阀设计
我们使用 EFD.Lab分析树定义我们的分析，这种定义方式类似我们先前利用模型树定义我们的模型。 EFD.Lab 是完全自定义; 你可以在 EFD.Lab 使用过程中的任何时候选择文件夹的隐藏和显示。当你对一个隐藏的文件夹增加一个相应的类型特征时，则这个隐藏的文件夹将会变为可见。这个文件夹会一直处于显示状态，直到这个类型特征被删除为止。 右击 Computational Domain 图标并且选择Hide去隐藏黑色线框。 这个计算域图标用于修改求解域的大小和求解域的显示与否。包围模型的线框是求解域的边界。 边界条件
在系统的流体入口或出口处要求设置压力，质量流，体积流或速度的边界条件。 1. 在 EFD.Lab 分析树中，右击 Boundary Conditions 图标并且选择 Insert Boundary Condition。 2. 如图显示选择 LID_1 的 inner 面 (访问内表面，在图形区域右击 Lid_1 并且选择Select Other，移动鼠标至列表中所要选择的内表面上，最后点击鼠标左键)。 EFD.Lab 8 教程 1－5
第一章 第一阶段：球阀设计
3. 选择 Flow openings
和 Inlet Mass Flow。
4. 设置 Mass flow rate normal to face 5. 点击 OK 为 0.5 kg/s。 。 新的 Inlet Mass Flow 1项出现在 EFD.Lab 分析树中。
随着刚才做完的定义，我们告诉 EFD.Lab在这一开口每秒有 0.5 kg的水流入到阀门中。在这一对话框中，我们也定义了一个旋转的流动，一个不均匀和时间变化的流动特性。在出口处的质量流由于质量守恒而不需要进行定义。因此另一个不同的边界条件需要被定义。在这里出口的压力应该作为出口处的边界条件。 6. 如图所示选择 LID_2 的 inner 表面。(访问内表面，在图形区域右击 Lid_2 并且选择Select Other，移动鼠标至列表中所要选择的内表面上，最后点击鼠标左键)。 7. 右击 Boundary Conditions 图标并且选择 Insert Boundary Condition 。 8. 选择 Pressure openings
和 Static Pressure。 9. 保持 Thermodynamic Parameters，Turbulence Parameters ，Boundary Layer 和 Options组中的设定。 10. 点击 OK 。 新的 Static Pressure 1 项出现在
EFD.Lab 分析树中。 随着刚才做完的定义，我们告诉 EFD.Lab在这一开口区域流体的静压为多少。在这一对话框我们也可以设置随时间变化的压力特性。 EFD.Lab 8 教程 1－6
第一章 第一阶段：球阀设计
定义工程目标 1. 右击 EFD.Lab 分析树 Goals 图标并且选择 Insert Surface Goals。 2. 点击 EFD.Lab Analysis Tree 页并且点击 Inlet Mass Flow 1 项，选择被应用目标的表面。
3. 在Parameter 表格中在 Static Pressure这一行勾选 Av 框。已经勾选了 Use for Conv 框意味着创建的目标将用于收敛的控制。 如果对于一个目标而言 Use for Conv没有被勾选，那它不会影响这个任务终止标准。这个目标可以用于监测某些参数，从而给你一些模型中关于计算进行中的额外信息。当然这不会影响仿真的结果和总的计算时间。 4. 点击 OK 。新的 SG Av Static Pressure 1项出现在 EFD.Lab 分析树中。 工程目标是一些用户感兴趣的参数。设定目标实质上是向 EFD.Lab 传达一种信息，你想得到什么样的分析结果和减少 EFD.Lab 获取仿真结果时间的一种方法。通过设定一个变量作为项目的目标，你传达给 EFD.Lab 一些关于变量的信息，告诉它在关注的时间段内这些变量收敛是相当重要的 (选择变量作为目标)并且对于那些未被选择的变量精度可以适当放宽一些。可以对整个求解域设定目标(全局目标)， 在某个选择的体积内 (体积目标)，在一个选择的表面区域 (表面目标)，或者在某个确定点 (点目标)。此外， EFD.Lab 可以对某个设定目标计算平均值，最小值和最大值。当然，你也可以通过包含有基本数学函数以现有目标作为变量的方式来设定一个方程目标。这个方程目标可以计算你所感兴趣EFD.Lab 8 教程 1－7
第一章 第一阶段：球阀设计
的参数（例如：压降）并且可在项目中保存这些信息，以便日后的参考。 点击 File，Save。 求解 1. 点击 Flow Analysis， Solve， Run。
勾选 Load results 意味着当计算完成之后结果会被自动的载入。 2. 点击 Run。 在一台普通的PC机上，这一求解的过程应该少于1分钟。
监测求解过程
这是监测求解对话框。在左面窗口中显示了求解过程的每一阶段的列表。在右面显示了网格的信息和仿真分析时候的一些警告。当出现“A vortex crosses the pressure opening”的警告语句时候，不要感到惊讶。我们会在后面的章节中进行解释。 1. 在求解开始并且进行了若干次迭代计算之后。(关注信息窗口中的迭代曲线)，点击 Solver 工具栏上的Suspend 按钮。 我们之所以要使用暂停按钮，主要是因为当前我们仿真的例子太过于简单，计算仿真的时间可能相当的短，使你没有足够的时间进行相应的结果监测。通常情况下，你可以使用监测工具而不必进行暂停。 EFD.Lab 8 教程 1－8
第一章 第一阶段：球阀设计
2. 点击 Solver 工具栏上的 Insert Goal Plot
框会出现。 3. 在Slecet goals中选择 SG Average Static Pressure 1 并且点击OK。
。 Add/Remove Goals 对话这是目标对话框并且罗列了先前创建的每一个目标。在这里你可以看到每一个目标的当前值和图形，此外也可以看到当前所做的计算占总计算量的百分比。但这一值是估计值，通常情况下会随着时间的推移这一百分比的值都会增加。 4. 点击 Solver 工具栏上的Insert Preview 。
5. 这是 Preview Settings 对话框。从 Plane name 列表中选择任何平面并且点击
OK ，将会在平面上创建一个结果预览平面。对于这个模型 Plane 2这一平面很适合作为预览的平面。
这个预览功能可以在计算运行的时候就观察结果。这有助于确定是否正确的定义了所有的边界条件以及使人直观的看到在求解初期的仿真结果。在仿真运行开始阶段，其结果可能是剧烈变化。但随着迭代计算的进行，变化将趋于平稳且结果将达到一个收敛值。这个仿真结果能以轮廓线，等值面和矢量形式显示。 EFD.Lab 8 教程 1－9
第一章 第一阶段：球阀设计
6. 再次按下 Suspend
使求解继续。
7. 当求解完成，通过点击 File，Close 来关闭监测。 调整模型透明度 点击 Flow Analysis，Results，Display，Transparency 并且设置模型的透明度为 0.75。
对于结果分析的第一步是产生一个透明的几何体，称之为透明体。通过这种方式你可以方便的看到与几何体相关的切面云图。 切面云图 1. 右击 Cut Plots 图标并且选择 Insert。 2. 定义一个平面，选择Plane 2 切平面。 在特性管理树中选择 Plane 2。 3. 点击 OK 。 这是你应该看到的切平面图。 一个切平面图显示了这一个平面上的所有结果。这个结果可以是以轮廓线，等值线或者矢量的形式显示，当然也可以是上述任意几种显示方式的组合 (例如：轮廓线加矢量)。 EFD.Lab 8 教程 1－10
第一章 第一阶段：球阀设计
4. 如果你想访问这个平面图的其他设置，你可以双点颜色标尺或者右点击 Results 图标选择View Settings。
在这些观察设置对话框中你可以对每一个云图类型进行全局改变。其中一些选项是: 改变显示的参数和颜色标尺中使用的颜色数目。学习这些选项功能的方法就是实践。
5. 对一个矢量平面图改变轮廓切面。右点 Cut Plot 1 图标并且选择 Edit Definition 。 6. 在云图定义中清除 Contours
Vectors 7. 点击 OK 。 。 选择
这是你应该看到切面图。 在观察设置对话框中可以在矢量页中放大矢量的大小。同样可以在切平面对话框的设置页中控制矢量的空间。注意：在圆球的锐利角处流动必须得到引导。我们的设计改变就是聚焦在这些特征上。 表面云图 右点 Cut Plot 1 图标并选择 Hide。 1. 右点 Surface Plots 图标并选择 Insert。 EFD.Lab 8 教程 1－11
第一章 第一阶段：球阀设计
2. 勾选 Use all faces 。 对于表面云图和切面云图有相类似的基础选项，可以进行任意的不同云图的结合使用。 3. 点击 OK 会得到如下表面云图。 这个云图显示了所有与流体接触面上压力的分布图。你也可以选择一个或多个面，用于表面显示。另外这些面可以不是平面。 等值面
右击 Surface Plot 1 图标并且选择 Hide。 1. 右击 Isosurfaces 图标并且选择 Show ，这时将出现这个云图。
EFD.Lab 对某一具体变量设定了一个常值从而创建了一个3维的等值面图。通过 Isosurfaces下的View Settings 对话框可以改变这个变量和设定的值。 2. 右击 Results 图标且选择 View Settings 进入对话框。
3. 选择 Isosurfaces 页。 EFD.Lab 8 教程 1－12
第一章 第一阶段：球阀设计
4. 检查对话框中的选项。尝试做两个改变，首先点击 Use from contours 从而使等值面以相应压力值的颜色显示，这个类似于轮廓图。 5. 其次在滑动条的另外一个位置进行点击， 注意此时出现另一个滑动条。这个滑动条可以通过按住并且拖拉出对话框来使其消失。 6. 点击 OK。 7. 点击 Flow Analysis，Results， Display，Lighting。 对一个3维的轮廓应用灯光可以更为清晰的看到其外形轮廓。
你应该看到一个与下图类似的轮廓图。 等值图是精确的确定3D区域一个有用的方式，在图上显示了确定的压力，速度和其他参数。
流动迹线图 右点 Isosurfaces 图标并且选择 Hide 。 1. 右击 Flow Trajectories 图标并且选择 insert。
EFD.Lab 8 教程 1－13
第一章 第一阶段：球阀设计
2. 在分析树点击Static Pressure1 项，其目的是选择出口 LID_2 盖的 inner 表面。 3. 设置 Number of trajectories 为16。 4. 点击 OK ，迹线图将如下图所示。 使用流动迹线图你可以显示流线。流动迹线图提供了一个良好的3D流动图形。你可以通过输出数据到Excel中来观察变量是如何随着迹线方向改变的。 对于这个迹线图我们选择了出口盖作为平面 (任何的平面都可以选择)因此每一个迹线会穿过所选择的面。通过在 View Settings 对话框中进行设置这个迹线也可以被赋予颜色。注意这个迹线是通过整个出口盖子的。这就是为什么在计算时候出现警告的原因。EFD.Lab会自动警告我们不合适的分析，这就是我们不一定非要是CFD专家的原因。当流动进入和流出同一个开口，仿真结果的精度会变得很差。为了防止这种情况，通常是对模型增加一个元件 (一个延伸到求解域的管子)这样漩涡就不会发生在开口的地方。 EFD.Lab 8 教程 1－14
第一章 第一阶段：球阀设计
XY 图 右点 Flow Trajectories 1 图标并选择 Hide。我们想显示压力和速度沿着阀的变化。我们已经创建了一个包含若干条线的草图。 这个草图的创建不必事先就做，你可以在分析完成之后再创建草图线。观察一下模型树中的草图1。 1. 右击 XY Plots 图标并选择 Insert。 2. 选择 Velocity and Pressure 作为物理Parameters。从模型树中选择 Sketch1。 保持所有的选项都是默认值。 3. 点击 OK。 微软的 Excel 将会同时打开速度和压力两个图表。其中一个图表如下所示。你可以在不同的页中切换，从而观察每一个图表。
XY 图可以让你看到沿着草图线的结果，这个数据被直接输入到Excel中。 EFD.Lab 8 教程 1－15
第一章 第一阶段：球阀设计
表面参数 Surface Parameters 是用于确定模型任何与流体接触面上压力，应力，热流和其他许多参数的一个功能。对于这类分析，从阀门的入口到出口的平均压降值可能是非常有价值的。 1. 右击 Surface Parameters 图标并选择 Insert 。
2. 在 EFD.Lab 分析树中， 点击Inlet Mass Flow1 项，其目的是选择 LID_1 盖入口的 inner 表面。 3. 点击 Evaluate 。 4. 选择 Local 页。 在入口处的平均静压值显示为 128478 Pa。 我们已经知道在出口处的静压值是 101325 Pa 因为先前我们已经定义了出口处的边界条件。所以通过这个阀门的平均静压降大约为 27000 Pa。 5. 关闭 Surface Parameters 对话框。
分析球形部分中一个设计变量
这一章节的目的是显示如何方便快捷的分析一个设计变量。这个变量可以是不同的几何外形，新的特征，装置的一个新的零件！这是 EFD.Lab 软件的核心功能并且这可以使设计工程师快速方便的确定哪一个设计是具有良好的效果，哪一个设计不会产生积极的作用。对于这个例子，我们看到两个锐利的边缘将影响通过阀门的压降。如果这方面没有作用的提升，那这就没有必要花费额外的制造费用。 利用定义管理树，创建一个新的定义。 1. 右击管理树的根目录选择 Add Configuration。 EFD.Lab 8 教程 1－16
第一章 第一阶段：球阀设计
2. 在 Configuration Name框中输入 Project 2。 3. 点击 OK 。 4. 在特征管理树中，右击Ball 并且选择 Open Part。一个新的 Ball.SlDPRT 出现。 使用管理树创建一个新的定义。 1. 右击管理树的根目录并且选择 Add Configuration。 2. 命名新的定义为 1.5_fillet Ball. 3. 点击 OK 。 EFD.Lab 8 教程 1－17
第一章 第一阶段：球阀设计
4. 对如图显示的面增加一个1.5mm的倒角。 5. 返回到组件窗口并且在出现的消息窗口中选择Yes。右击特性管理设计树中的Ball 项并且选择 Component Properties。 6. 在 Component Properties对话框底部改变 Ball 零件为新倒角的。 7. 点击 OK 确认并且退出对话框。 现在我们用新的1.5_fillet ball 来替代先前的 ball。我们所要做的就是重新对组件进行求解并且比较两种设计的结果。为了能与先前的模型结果进行比较，第二个模型的球阀开度必须和第一个模型相一致。在这个例子中我们不需要改动。 EFD.Lab 8 教程 1－18
第一章 第一阶段：球阀设计
8. 通过定义管理树激活 Project 1。对于出现的消息框选择 Yes。 复制项目
1. 点击 Flow Analysis， Project， Clone Project。 2. 点击 Add to existing。 3. 在 Existing Configuration list 选择 Project 2。 4. 点击 OK。对于之后出现的消息框都选择 Yes 。 现在我们已经选择的 EFD.Lab 项目被增加到已经改变了几何状况的项目中。所有我们输入的数据都被复制，所以我们没有必要定义我们的出口和目标。边界调经安可以被改变，删除或增加。 依据先前所描述的求解步骤进行求解，同时对结果进行观察。 分析 EFD.Lab 应用中的一个设计变量 在先前的章节中，我们研究分析了如何对不同几何体进行结果的分析。你可能想在同一个几何体中运行一系列不同的流量。在这一章节中，展现了如何快速方便的做到参数化研究这一点。这里我们计划改变质量流为 0.75 kg/s。 激活 PROJECT1 1. 通过点击 Flow Analysis， Project， Clone Project。
2. 键入 Project 3 作为新项目的文件名并且点击OK。
EFD.Lab 8 教程 1－19
第一章 第一阶段：球阀设计
EFD.Lab 现在创建了一个新的设定配置。所有我们输入的数据都被复制，所以我们没有必要再次定义出口和目标。边界条件可以进行改变，删除或增加。在改变入口流量为0.75 kg/s之后，你应该准备进行再次求解。请按照先前所描述的步骤进行求解和结果的观察。 想象一下自己就是这个球阀的设计师。你会如何考虑来确定球阀的设计？如果你不得不确定花费了额外费用的改动设计是否会带来相应的利益，你会怎么办？工程师无法避免的每天都在考虑这些问题，现在 EFD.Lab 软件就可以帮助工程师们解决此类难题。每一位工作中涉及到流体流动和热交换的设计工程师都应该使用 EFD.Lab 来验证他们设计想法的正确性，与此同时也大大缩短了整个设计周期。 EFD.Lab 8 教程 1－20
第二章 第一阶段：耦合热交换
第一阶段：耦合热交换
这一阶段耦合热交换教程展现了如何对涉及到固体导热的流动分析进行每一步基础的设置。虽然说这个例子的基本原则是适用于所有的散热问题，但这个例子对那些关注电子设备内流动和热交换的用户特别有借鉴意义。现在假定你已经完成了第一阶段：球阀设计教程，因为这个例子将展现一些更为详细的 EFD.Lab 的使用原则。
打开模型
1. 复制 First Steps - Electronics Cooling 文件夹到你的工作目录，此外由于 EFD.Lab 在运行时会对其输入的数据进行存储，所以必须确保文件处于非只读状态。运行 EFD.Lab，点击 File，Open。
2. 在Open 对话框，浏览 First Steps - Electronics Cooling 文件夹找到enclosure_assembly.SLDASM 组件并且点击 Open。 EFD.Lab 8 教程 2－1
第二章 第一阶段：耦合热交换
准备模型
在这个分析组件中存在很多特性，零件或子组件不需要分析。使用 EFD.Lab 之前，仔细检查模型中不参与到分析中的元器件是一种良好的软件使用习惯。剔除那些不参与到分析中的元件可以减少对计算机资源的要求和求解时间。这个组件中包含了如下一些元件：外壳，主板，PCB板，电容，电源，散热器，芯片，风机，螺钉，风扇支架，盖子等。通过点模型树中的特征，你可以看到所有的这些元器件。在这个教程中我们通过对入口盖子内表面处的 Fan 设定一个边界条件来对风机进行仿真。这个风机的几何外形比较复杂，重新生成的话需要一定时间。因为风机的外壳在机壳之外，所以我们可以将其压缩，从而加快操作。 EFD.Lab 8 教程 2－2
第二章 第一阶段：耦合热交换
1. 在特性管理设计树中选择 FAN，和所有 SCREWs 及 FAN_HOUSING 元件 (选择多个元件时，必须按住 Ctrl 键)。 2. 右击先前选择的任何一个元件并且选择
Suppress。之后点击 Yes 来确定压缩。 现在开始启动 EFD.Lab。 创建 EFD.Lab 项目 1. 点击 Flow Analysis，Project，Wizard。
2. 如果已经在向导状态，直接选择Create new，以便创建一个新的配置并且命名为 INLET_FAN。 点击 Next。 现在我们将创建一个名为 USA Electronics 的新系统单位，这将更有助于我们进行分析。
3. 在 Unit system 列表选择 USA 系统单位。选择 Create new 对工程数据增加一个新的系统单位，称之为 USA Electronics。
EFD.Lab 允许你使用预先定义好的系统单位，但通常你可以自定义常用的系统单位以便于分析。无论是预定义的系统单位还是自定义系统单位都被保存在 Engineering Database 中。你也可以在 Engineering Database 或 Wizard创建你所需要的系统单位。 通过拉动 Parameter 树中的滚动条，你可以看到对所有参数所设定的单位。尽管绝大多数的参数都有一个常用的单位，诸如对于速度是 ft/s ，对于体积流是 CFM (每分钟立方英尺) 但是我们还是要改变一些对于这个模型而言更为方便分析的参数单位。由于模型的几何参数比较小，所以用英寸来替代英尺来作为长度单位更合适。 EFD.Lab 8 教程 2－3
第二章 第一阶段：耦合热交换
4. 对于 Length 框，双击 Units 项并选择 Inch。 5. 接着展开 Parameter 树中的 Heat 组。
为了我们更为方便的处理电子设备类问题，我们对于功率和热流定义单位为 Watt 和 Watt/㎡。
点击 Next。
6. 设置分析类型为 Internal。在物理特性下勾选 Heat conduction in solids。 选择固体导热是因为几个电子元器件产生热量，我们关注这些热量是如何通过散热器和其他固体导热进行传递，直至最后进入到流体中去的。 点击 Next。 EFD.Lab 8 教程 2－4
第二章 第一阶段：耦合热交换
7. 展开 Gases 夹并且双击 Air 行。 保持默认的 Flow Characteristics。 点击 Next 。
8. 点击 Stainless Steel 作为 Default solid。 在 Wizard 中你可以指定应用到 EFD.Lab 项目中所有固体元件的默认固体材料。想对一个或多个不同的元器件指定不同的固体材料，你可以在项目创建完成之后对这些元器件定义Solid Material 条件。 点击 Next。 9. 点击 Next 接受默认的外壁面绝热和零粗糙度边界条件。 尽管设置初始温度对于一段时间后温度到达某一确定值的瞬态分析而言是相当重要的，同样对于设置一个与最终仿真结果值相近的初始值有助于加速迭代计算的收敛。在这个例子中，由于设备处于室温下，所以我们设置初始的空气温度和不锈钢（描述了机壳）的温度为50°F。 EFD.Lab 8 教程 2－5
第二章 第一阶段：耦合热交换
10. 设置初始流体 Temperature 和Initial solid temperature 为 50°F。
点击 Next 。
11. 接受 Result resolution 的默认值并且保
持自动设置 Minimum gap size 和 Minimum wall thickness。
EFD.Lab 通过使用整个模型尺寸、计算域和指定了边界条件和目标的面等信息来确定默认的最小间隙尺寸和最小壁面厚度。在开始计算之前，我们推荐你检查一下最小间隙尺寸和最小壁面厚度，从而确保一些小的特征不会被忽略。我们会在所有的边界条件和目标设定之后再来回顾一下这些方面。 点击 Finish。现在 EFD.Lab 利用赋值数据方式创建了一个新的例子。 我们使用 EFD.Lab分析树定义我们的分析，这种定义方式类似我们先前利用特性管理设计树定义我们的模型。 右击 Computational Domain 图标并选择 Hide从而隐藏求解域线框。
定义风扇
风机就是一种流动的边界条件。你可以在没有定义 Boundary Conditions 和 Sources 的固体表面处来定义 Fans。你也可以在模型的入口或出口处人工的加一个盖子来定义风扇。你可以在内部流动区域的面上定义内部风扇。风机被认为是体积流量（或质量流量）随着选定的进出口面上压降不同而变化的理想装置。风机的体积流量与静压降的特性曲线来自 Engineering Database。 EFD.Lab 8 教程 2－6
第二章 第一阶段：耦合热交换
如果你分析的模型中有风机，你必须知道这个风机的性能特性曲线。在这个例子中我们采用 Engineering Database 中一个预先定义的风机。如果你不能在数据库中找到一个合适的风机特性曲线，你可以根据你风机的具体参数创建一个你自己的风机特性曲线。 1. 点击 Flow Analysis，Insert，Fan。Fan 对话框出现。 2. 如图所示选择 Inlet Lid 的内表面。(访问内表面，在图形区域右击 Inlet Lid 并且选择Select Other，移动鼠标至列表中所要选择的内表面上，最后点击鼠标左键)。 3. 选择 External Inlet Fan 作为风扇 type。 4. 在 Fan Curves，Pre-Defined，PAPST，DC-Axial，Series 400，405 下选择 405 项。 5. 检查 Ambient Pressure 6. 选择 Inlet Flow Parameters组下的 Swirl 7. 定义 Angular Velocity at Inlet 受 Radial Velocity at Inlet 为 100 rad/s 和接。 是大气压力。 值为 0。 当定义旋转流之后，你必须选择参考 Coordinate system 和 Reference axis 以便坐标系的原点是旋转的中心，角速度矢量的角度与参考轴对齐。 8. 接受Face Coordinate System 作为参考 Coordinate system 。 当你选择这个面作为应用边界条件或风机的面，Face coordinate system 会自动的创建在这个平面的中心。坐标系的 X 轴垂直于这个面。Face coordinate system 只有在一个平面被选择的情况下才会被创建。 9. 接受 X 作为 Reference axis。 10. 点击 OK 。 新的 Fans 文件夹和 External Inlet Fan 1 项出现在 EFD.Lab 分析树中。 EFD.Lab 8 教程 2－7
第二章 第一阶段：耦合热交换
现在你可以编辑 External Inlet Fan1 项或者使用 EFD.Lab 分析树来增加一个新的风扇。直到最后一个这类特性被删除之前，这个文件夹都会处于显示状态。你也可以在分析树创建一个特性文件夹。右击项目名并且选择 Customize Tree 去增加或剔除一个文件夹。 随着刚才所做的定义，我们告诉 EFD.Lab 通过风扇在这个开口处空气流入机壳，所以空气的体积流，随着环境大气压和风机出口处的静压不同而变化。由于盖子出口处是环境大气压，所以风机产生的静压等于气流通过电子设备时候的压降。 定义边界条件 除了开口处定义了风机之外，任何流体流经系统处都要定义边界条件。边界条件可以 以Pressure， Mass Flow，Volume Flow 或 Velocity 形式定义。你也可以使用 Boundary Condition 对话框来定义 Ideal Wall 边界条件，这个边界条件可以是绝热，无摩擦壁面。或定义 Real Wall 边界条件，这个边界条件可以设置壁面粗糙度或者温度以及模型表面的热交换系数。对于具有内部固体导热的分析，你也可以通过定义一个 Outer Wall 边界条件来对模型外壁面设置一个热特性边界条件。 1. 在 EFD.Lab 分析树，右击 Boundary Conditions 图标并且选择 Insert Boundary Condition。 2. 如图所示选择所有出口盖子的内表面。 3. 选择 4. 点击 OK 。 新的 Environment Pressure 1 项出现在 EFD.Lab 分析树中。 Pressure openings 和Environment Pressure。 环境压力边界条件在流动出口处作为静压，在流动入口处作为总压。 EFD.Lab 8 教程 2－8
第二章 第一阶段：耦合热交换
定义热源
1. 点击 Flow Analysis，Insert，Volume Source。 2. 在模型树中选择 Main Chip 作为应用体积热源的元件。点击特性管理设计模型树并且选择Main Chip。 3. 选择 Heat Generation Rate Parameter。 4. 在Heat generation rate 5. 点击 OK 。 框中输入 5 Ｗ。 作为 6. 在 EFD.Lab 分析树中点击两次新建的 VS Heat Generation Rate 1 项并且重新命名为 Main Chip。 体积热源允许你定义热耗率（W）或者单位体积热耗率（ W/m3）或者对于体积设定一个常温的边界条件。另外也可以对表面热源定义热交换率（W）或者热流（ W/m2）。 7. 在 EFD.Lab 分析树中右击 Heat Sources 图标并且选择 Insert Volume Source 。
8. 在特性管理设计树中选择所有的 Capacitor 元件。 9. 选择 Temperature 100 °F。 10. 点击 OK 。 框，并且在其中输入 11. 不连续双击新建的 VS Temperature 1 项，重新命名为 Capacitors。 12. 以下的步骤与上面相类似，设置所有的以下这些体积热源：所有 PCB 板上的芯片(Small Chip) 具有总热耗率 4 W，Power Supply 的温度为 120 °F。 EFD.Lab 8 教程 2－9
第二章 第一阶段：耦合热交换
13. 重命名应用到芯片 Small Chips 的热源和电源 Power Supply 的功率。 点击 File，Save。 创建一种新的材料 PCB 板是由环氧材料制成，但 EFD.Lab 数据库中没有预先定义环氧材料，所以需要我们自己创建。 1. 点击 Flow Analysis，Tools，Engineering Database。 2. 在 Database tree 选择 Materials，Solids，User Defined。 3. 点击工具栏上的 New Item 。
空白 Item Properties 页出现。双击空白单元格来设置相应的特性参数。 4. 按下列方式来定义材料特性:
Name = Epoxy，
Comment = Epoxy Resin， Density = 1120 kg/m^3，
Specific heat = 1400 J/(kg*K)， Conductivity type = Isotropic
Thermal conductivity = 0.2 W/(m*K)， Melting temperature = 600 K。 5. 点击 Save 。 6. 点击 File，Exit 退出工程数据库。 在输入材料特性时，你也可以通过在输入值后输入你想要的系统单位，EFD.Lab 会自动的将值转换成公制。你也可以用 Tables and Curves 页来定义材料特性随着温度变化。 定义固体材料 Solid Materials 被用于定义组件中固体的材料。 1. 在EFD.Lab分析树中右击 Solid Materials 图标并选择 Insert Solid Material。 EFD.Lab 8 教程 2－10
第二章 第一阶段：耦合热交换
2. 在特性管理设计树中选择MotherBoard，PCB<1>，PCB<2> 元件。 3. 选择 Solids，User Defined 项下的Epoxy 项。 4. 点击 OK 。 5. 以下的步骤与上面相类似，设置以下固体材料: 以 Silicon 构成的主要芯片和小芯片。以 Aluminum 作为材料的散热器，以 Insulator 作为材料的盖子(Inlet Lid和 Outlet Lids) 。这些固体材料都可以从 Pre－Defined 材料列表中选取。注意出口处的盖子可以在特性管理设计树 pattern (DerivedLPattern1) 下找到。另外你也可以点击图形区域的实际零件。 6. 改变每一个固体材料的名称。新的名称如下所示： PCB - Epoxy， Chips - Silicon， Heat Sink - Aluminum， Lids – Insulator。
点击 File，Save。 定义工程目标 定义体积目标 1. 右击 Goals 图标并且选择 Insert Volume Goals。 EFD.Lab 8 教程 2－11
第二章 第一阶段：耦合热交换
2. 选择特性管理设计树中所有 Small Chip 元件。 3. 在 Parameter 表格中，勾选 Temperature of Solid 行的 Max。 4. 接受勾选 Use for Conv ，用于控制目标收敛。 5. 点击 OK。新的 VG Max Temperature of Solid 1 项出现在 EFD.Lab 分析树中。 6. 改变新项的名称为： VG Small Chips Max Temperature 。你也可以使用 Feature Properties 对话框来重命名，这个对话框可以通过右击项目并选择 Properties 来打开。 点击图形区域的任意地方，以便放弃选择。 7. 右击 Goals 图标并且选择 Insert Volume Goals。 8. 选择特性管理设计树中的 Main Chip 。 9. 在 Parameter 表格中，勾选 Temperature of Solid 行的 Max。 10. 点击 OK。 11. 重命名 VG Max Temperature of Solid 1 项为 VG Chip Max Temperature。 点击图形区域的任意地方，以便放弃选择。 EFD.Lab 8 教程 2－12
第二章 第一阶段：耦合热交换
定义表面目标 1. 右击 Goals 图标并且选择 Insert Surface Goals。 2. 点击EFD.Lab 分析树页并且点击 External Inlet Fan 1 项选择应用目标的表面。 3. 在Parameter 表格，在Static Pressure 行勾选 Av。 4. 接受勾选 Use for Conv作为用于控制收敛。 对于 X(Y， Z) – 分力和X(Y， Z) –分扭矩表面目标，你可以在这些计算目标上选择坐标系。 5. 点击底部的 Inlet 第二章 第一阶段：耦合热交换 定义全局目标 1. 右击 Goals 图标并且选择 Insert Global Goals。 2. 在 Parameter 表格 Static Pressure 和 Temperature of Fluid 行勾选 Av 并且接受选择 Use for Conv 用于控制收敛。 3. 从 Name template 去除 第二章 第一阶段：耦合热交换 改变几何求解精度 1. 点击 Flow Analysis，Initial Mesh。 2. 勾选 Manual specification of the minimum gap size。 3. 由于最小流动通道的原因，输入0.15 in（举例：这个通道处于散热器的翅片中间） 当模型中有一些小的特征时，输入最小间隔尺寸和最小壁面厚度是非常重要的。精确的设定这些值可以确保网格划分时，这些小的几何特征不会被忽略。只有当小固体特征的两侧都存在流体网格时，才需要定义最小壁面厚度。在内部分析的例子中，在设备外部环境空间没有流体网格存在。因此在内部流动和环境空间的边界处总是能够很好的求解。这就是为什么你不用考虑不锈钢机壳的壁面。无论 minimum gap size 还是 minimum wall thickness 都是帮助生成自适应网格从而获得精确结果的有力工具。 其中最小间隔尺寸的设置可以取得更为明显的效果。事实也确实如此， EFD.Lab 是通过定义的最初网格精度控制每一个 minimum gap size 确定最小网格数的方式来生成网格。这个数目等于或大于通过用 minimum wall thickness 生成的网格数。这就是为什么，即便你的模型内部流动区域中有一个纤薄的固体特征，当它大于或等于最小间隙尺寸时就不需要定义最小壁面尺寸。如果你想求解小于最小间隙的薄壁面，那么你必须定义最小壁面厚度。 点击 OK。 EFD.Lab 8 教程 2－15 第二章 第一阶段：耦合热交换 求解 1. 点击 Flow Analysis，Solve，Run。 2. 点击 Run。 在普通的PC机上，这个求解的时间大约在10－20分钟。 你可以注意到不同的目标到达收敛的迭代数目不同。 EFD.Lab 这个面向目标的理念可以使你使用更短的时间得到你所需要的结果。 举例来说，如果仅仅对设备内部的流体温度感兴趣， EFD.Lab 将会比要求所有参数都收敛更快的提供仿真结果。 观察目标 1. 右击 Results 下Goals 图标并且选择 Insert 。 2. 点击 Goals 对话框中 Add All 。 3. 点击 OK。 EFD.Lab 8 教程 2－16 第二章 第一阶段：耦合热交换 具有目标结果的EXCEL电子表格会打开，第一个电子表格将会显示目标概况。 你可以看到这个主芯片的温度是 98 °F，小芯片的温度超过了 108 °F。 目标进程栏是目标收敛过程中性质和数量特性的显示。当 EFD.Lab 分析目标收敛，它计算了这个目标差量，这个差量是由上一次到这一次最大和最小目标值的差定义的，并且比较这差量和目标收敛标准差量，这个目标收敛标准差量可以由你来指定之外，也可以由 EFD.Lab 通过目标的物理参数在整个求解域上离散来自动确定。这个目标收敛差量标准与分析间隔上目标真实差量的百分比显示在目标收敛过程条中。(当目标真实差量等于或小于目标收敛标准差量，这个过程条将变成“完成”)。相应的，如果目标真实差量振荡，这个过程条也会振荡，此外，当一个棘手的问题被求解，可能会出现逆行，特别是从“完成”状态上。如果要求的迭代计算步数已经完成或者在完成设定的迭代计算步数之前就达到目标收敛标准，则这个计算就会完成。依据你的判断，你也可以定义其他的计算完成条件。 更为详细的分析结果，我们可以使用功能强大的 EFD.Lab 后处理工具。对于设备内部的流体最好的观察方式是创建一个流动迹线图。 流动迹线图 1. 右击 Flow Trajectories 图标并选择 Insert。 2. 在 EFD.Lab 分析树选择 External Inlet Fan1项，其目的是选择 Inlet Lid 内表面。 3. 设置 Number of trajectories 为 200。 4. 在 Settings 页，设置 Draw trajectories as 为 Band 。 EFD.Lab 8 教程 2－17 第二章 第一阶段：耦合热交换 5. 保持 Start points from 下拉框 Reference。 如果 Reference 被选择，则迹线的起点在被定义的面上。 6. 点击 View Settings。 7. 在 View Settings 对话框中，将Parameter 中的 Pressure 改为 Velocity。 8. 在 Flow Trajectories 页中确定 Use from contours 项被选择。 这个设置定义了迹线的颜色。如果 Use from contours 被选择，则迹线的颜色将与 Contours 中定义的参数颜色分布相一致 (我们例子中的参数是速度。如果你选择 Use fixed color 则所有流动迹线都将只有同一种颜色，这个颜色可以在 Flow Trajectories 对话框的 Settings 进行定义。 9. 点击 OK 保存设置并且退出 View Settings 对话框。 10. 在 Flow Trajectories 对话框中，点击 OK。新的 Flow Trajectories 1 项将出现在 EFD.Lab 分析树中。 可以看到下图： EFD.Lab 8 教程 2－18 第二章 第一阶段：耦合热交换 右击 Flow Trajectories 1 项并且选择 Hide。 点击图形区域的任意地方来放弃选择。 让我们更为详细的分析速度的分布。 切面云图 1. 2. 3. 4. 右击 Cut Plots 图标并且选择 Insert。 选择 FRONT 平面作为截面平面。 点击 View Settings。 分别改变 Min 和 Max 值为 0 和10。定义的整数值产生了一个彩色面板，以便于确定具体的值。 5. 设置 Number of colors 大约为 30。 6. 点击 OK。 7. 在 Cut Plot 对话框，点击 OK 析树中。 8. 在 Standard View 中选择 Top 视图。 。新的Cut Plot 1 项将出现在 EFD.Lab 分EFD.Lab 8 教程 2－19 第二章 第一阶段：耦合热交换 你可以看到最大的速度区域出现在开口处，现在让我们来看一下流体的温度。 9. 双击图形显示区域的左上角彩色面板，View Settings 对话框出现。 10. 将 Parameter 中的 Velocity 改为 Fluid Temperature。 11. 分别改变 Min 和 Max 值为 70 和 140 。 EFD.Lab 8 教程 2－20 第二章 第一阶段：耦合热交换 12. 点击 Vectors 页并且在滑动栏下的框键入0.2来改变 Arrow size 为 0.2 。注意被勾选Use Fixed Colour。 注意你也可以定义一个超出滑动条范围的数值。 13. 设置 Max 值为 1 ft/s。 通过自定义 Min 和 Max 值你可以控制矢量的长度。当速度矢量的值超出了定义最大值，这个矢量的长度将等于最大值的长度。与之相类似，当速度矢量的值小于定义的最小值，这个矢量将等于最小值的长度。我们已经定义了 1 ft/s 为显示区域的最小速度。 14. 点击 OK。 15. 右击 Cut Plot 1 项并且选择 Edit Definition。 16. 点击 Vectors 17. 改变 Position 18. 在 Settings 页，使用滑动条设置 Vector spacing 0.18 in。 19. 点击 OK 。 为 为 -0.30 in。 。 EFD.Lab 8 教程 2－21 第二章 第一阶段：耦合热交换 对于散热器周围的高温流体不要感到惊讶，而且通过一些小的矢量清楚的展现了，在这些低速区域有一个更高的温度。 右击 Cut Plot 1 项并且选择 Hide。现在我们来显示固体温度。 表面云图 1. 右击 Surface Plots 项并且选择 Insert。 2. 在特性管理设计树中点击 Main Chip，Heat Sink 和所有 Small Chip 元件去选择它们的表面。 EFD.Lab 8 教程 2－22 第二章 第一阶段：耦合热交换 3. 点击 View Settings。 4. 在 View Settings 对话框，改变 Parameter 为 Solid Temperature。 5. 分别改变 Min 和 Max 值为 70 和 140。 6. 点击 OK。 7. 在 Surface Plot 对话框，点击 OK云图可能要略微等待一会。 8. 重复步骤 1 和 2 并且选择 Power Supply 和 Capacitors 项，之后点击 OK。 9. 在 Model Display 工具栏， 点击 Wireframe 显示面的轮廓线。 。由于在表面要生成颜色，所以创建表面 EFD.Lab 8 教程 2－23 第二章 第一阶段：耦合热交换 你也可以通过在 First Steps - Ball Valve Design 教程中展现的后处理工具来进一步的观察模型和分析结果。EFD.Lab 允许你快速方便的对模型无论是在数量上还是质量上进行检查。数量上的结果诸如：元器件最大温度，通过设备的压降以及空气温升等，这些数据可以帮助你确定设计的模型是否可以接受。通过观察质量上的结果诸如：空气流动模式，固体导热模式。EFD.Lab 提供给你模型中哪些地方存在问题以及设计中的薄弱环节，从而可以指导你进行改进或者优化。 EFD.Lab 8 教程 2－24 第三章 第一阶段：多孔介质 第一阶段：多孔介质 在这个教程中，我们分析汽车排气管某一管段的流动，这个排气流动受到两个用于将有害一氧化碳转变成二氧化碳的多孔介质阻碍。当设计汽车的催化转化器时，工程师要在最大化催化器内部表面的同时尽量减小催化器的排气阻力以及排气和表面接触持续时间两者之间寻求最佳点。因此，排出的气体质量流量在整个催化器截面上更为均匀的分布有助于它的使用性。EFD.Lab 中的多孔介质可以仿真每一种催化器，允许你对催化器所占据的空间以分布式的阻力进行仿真，而不是对催化剂内所有通道进行分别仿真，因为这种方式是不符合实际情况甚至是不可能存在的。在这个EFD.Lab 教程例子中我们考虑了催化剂多孔介质渗透类型（对于流动方向上等向性或非等向性的阻力）对整个催化器截面上排出的气体质量流量的影响。我们会观察到在排气后部的流动迹线分布比模型的入口处和穿过多孔介质时来的均匀。此外，依据流体速度对流动迹线赋予颜色，排出流体在多孔催化剂中的阻力可以得到估计，从催化器的效率而言这一点也是很重要的。 EFD.Lab 8 教程 3－1 第三章 第一阶段：多孔介质 打开模型 1. 复制 First Steps - Porous Media 文件夹到你的工作目录，此外由于EFD.Lab 在运行时会对其输入的数据进行存储，所以必须确保文件处于非只读状态。运行 EFD.Lab。点击 File，Open。 2. 在Open 对话框， 浏览First Steps - Porous Media 文件夹并且找到 catalyst.SLDASM 组件点击 Open (或者双击这个assembly)。 创建 EFD.Lab 项目 1. 点击 Flow Analysis， Project， Wizard。 如果已经在向导状态，直接选 Create new 以便创建一个新的 assembly 并且命名为 Isotropic。 这个项目向导会指导你一步一步完成整个项目的特性定义。除了其中两步（定义项目流体和默认固体），其他的每一步都是预先的定义值，所以你可以接受这些默认值（跳过这一步可以直接点击 Next）或者进行相应的修改。 这些预先设定的值是: 单位系统 – SI， 分析类型 – Internal，no additional physical capabilities are considered， 壁面状况 – adiabatic wall， 初始条件 – pressure 1 atm，temperature 293.2 K， 结果和几何求解 – level 3， 对于这个项目所有的这些设置都是合适的，我们所要做的仅仅是将空气作为项目的流体。为了避免经过每一个向导界面，我们将使用 Navigator 面板，它可以使我们快速的访问向导页。 2. 点击右侧的箭头 。 EFD.Lab 8 教程 3－2 第三章 第一阶段：多孔介质 3. 在 Navigator 面板，点击 Fluids。 4. 打开 Gases 文件夹， 点击 Air， 接着点击 Add。 5. 由于我们没有必要更改其他的特性，所以我们可以通过点击Navigator 面板上的 Finish 来关闭向导。 你可以在任何时候点击完成，但如果你想在没有定义完所有必须定义的特性（诸如项目流体）之前关闭向导，这个向导将不能关闭并且在这个未做定义的向导页会出现一个感叹图标 . 现在 EFD.Lab 利用赋值数据的方式创建了一个新的例子。 在 EFD.Lab 分析树，右击 Computational Domain 图标并且选择 Hide来隐藏计算域黑色线框。 EFD.Lab 8 教程 3－3 第三章 第一阶段：多孔介质 定义边界条件 1. 在 EFD.Lab 分析树，右击 Boundary Conditions 图标并选择 Insert Boundary Condition 。 2. 如图显示选择入口盖子的内表面。 3. 选择 Flow openings 4. 设置 Velocity Normal to Face 5. 点击 OK 。 为 10 m/s。 和 Inlet Velocity。 随着刚才所做的定义，我们告诉 EFD.Lab在这个开口处空气以10 m/s的速度流进催化器。 6. 如图所示选择出口盖子的内表面。 7. 右击 Boundary Conditions 图标并且选择 Insert Boundary Condition。 8. 选择 Pressure openings Pressure。 和 Static EFD.Lab 8 教程 3－4 第三章 第一阶段：多孔介质 9. 点击 OK 。 随着刚才所做的定义，我们告诉 EFD.Lab 在这个开口处流体离开模型进入到一个大气压的区域。 现在我们可以在这个项目中定义多孔介质。定义一个多孔介质，首先我们需要在 Engineering Database 中定义多孔介质的特性（多孔性，渗透类型等）之后应用这一多孔介质到你的组件元件中。 创建一个等向性的多孔介质 你想要创建的材料已经在Engineering Database下的Pre-Defined文件夹中得到了定义。你也可以跳过多孔介质材料的定义，以后需要创建多孔介质特性时，直接从工程数据库中选择预定义的\"Isotropic\" 材料。 1. 点击 Flow Analysis，Tools，Engineering Database。 2. 在 Database tree 选择 Porous Media， User Defined。 3. 点击工具栏上的 New Item 4. 命名这个新的多孔介质为 Isotropic。 5. 在 Comment， 点击 按钮并且输入对这个多孔介质的注释。这个 Comment 。这个空白 Item Properties 页出现。双击空白格去设定相应的特性值。 特性是可选择的，你也可以不做任何注释。 6. 设定这个介质的 Porosity 为 0.5。 首先让我们分析一下 Isotropic 渗透性，也就是在介质内部其渗透性和方向无关。之后，作为一个选择，我们可以分析一下 Unidirectional 渗透性，也就是这个介质仅仅在某一个方向上具有渗透性。 EFD.Lab 8 教程 3－5 第三章 第一阶段：多孔介质 7. 对 Permeability type 选择 Isotropic。 首先我们来考虑一个 Isotropic 型渗透，也就是在介质内部其渗透性不会随着方向改变。之后，我们考虑一个Unidirectional 型渗透，也就是只能在一个方向上进行渗透。 8. 选择 Pressure drop， Flowrate， Dimensions 作为 Resistance calculation formula。 对于我们的介质，我们选择对流体为 Pressure Drop， Flowrate， Dimensions 的介质阻力,举例,定义多孔介质的阻力为 k =P×S /(m×L) ( s-1),这里右侧的参数是根据平行六面体多孔介质测试得出，在选择样品的方向上其中S是截面积而L是长度，由于在这一方向上进出口的压力差所产生的通过样品的质量流量等于 m。 在这个项目中我们指定P = 20 Pa, m = 0.01 kg/s (P = 0 Pa,m=0 kg/s), S = 0.01 m2,L = 0.1m. 因此,k = 200 s-1。 已知的催化剂 S 和 L 输入到模型中和流过它的 m,你可以通过P= kmL/S 大致的估计出在催化剂模型中压力的损失。 9. 从 Pressure drop vs. flowrate 选择 Mass Flow Rate。 10. 点击 按钮转换到Tables and Curves 页。 11. 如图所示在 Property 表格定义压降和质量流量之间的线性关系（0kg/s，0Pa）（0.01kg/s，20Pa）。 12. 返回到 Item Properties 页。 13. 设定 Length 为 0.1 m 并且 Area 为0.01m。 14. 点击 Save 。 2 15. 点击 File，Exit 退出数据库。 现在我们将应用定义的多孔介质到仿真模型中。 EFD.Lab 8 教程 3－6 第三章 第一阶段：多孔介质 多孔介质仅仅应用于 EFD.Lab 不能将其作为固体处理的元件。通常情况下，分析一个不是固体属性区域的元件，你需要在 Component Control 对话框中关闭元件。当你通过创建 Porous Medium 特性对一个元件设定为多孔介质，这个元件会自动的关闭，所以我们不需要手动关闭它们。 定义多孔介质－等向性 1. 点击 Flow Analysis，Insert，Porous Medium。 2. 在特性管理设计树中选择Monolith<1> 和 Monolith<2> 元件。 3. 展开User Defined下多孔介质的列表，选择 Isotropic 项。 4. 点击 OK 完成多孔介质的定义并且退出 Porous Medium 对话框。 为了获取模型进出口的压降我们要设定一个 Equation Goal。在完成这一设定之前，我们先要定义相应的 Surface Goals。 定义表面目标 1. 右击 Goals 图标并且选择 Insert Surface Goals。 EFD.Lab 8 教程 3－7 第三章 第一阶段：多孔介质 2. 在 EFD.Lab 分析树中，点击 Inlet Velocity 1 项选择入口盖子的内表面。 3. 勾选 Parameter 表Total Pressure 中的Av。 4. 接受选择 Use for Conv 作为收敛控制的目标。 5. 点击 Inlet 。 6. 点击 OK 。新的SG Inlet Av Total Pressure 1 目标出现。 7. 右击 Goals 图标并且选择 Insert Surface Goals。 8. 点击 Static Pressure 1 项，其目的是选择出口盖子的内表面。 9. 勾选Parameter 表 Total Pressure 中的Av。 10. 接受选择 Use for Conv 作为控制收敛的目标。 11. 点击 Outlet 。 12. 点击 OK 新SG Outlet Av Total Pressure 1 目标出现。 定义方程目标 方程目标是通过存在的目标和/或输入数据条件来定义的目标。在计算期间这个目标可以被看作是方程目标，另外可以和其它目标一样显示结果。你可以使用很多变量来定义目标，可以是其他的方程目标（当然随其它方程目标变化的目标不在其中）和定义项目输入数据特征的数据参数等。你也可以用常数来定义方程目标。 EFD.Lab 8 教程 3－8 第三章 第一阶段：多孔介质 1. 右击 Goals 图标并且选择 Insert Equation Goal。 2. 在 EFD.Lab 分析树中，选择SG Inlet Av Total Pressure 1 目标。它出现在 Expression 框。 3. 点击 calculator 的 minus（－） 按钮。 4. 在 EFD.Lab 分析树中选择 SG Outlet Av Total Pressure 1 目标。 设定方程目标你可以仅仅使用定义的目标 (包括以前定义的方程目标)，输入数据条件参数和常数。如果一些物理参数为常数(例如：长度，面积等)，必须确定这些参数使用了项目的单位系统。EFD.Lab 中对于定义的常数没有相应的物理意义信息，所以你需要定义显示的维数。 5. 保持 Dimensionality 列表中的默认 Pressure & Stress。 6. 点击 OK。新的 Equation Goal 1项出现在分析树中。 求解 1. 点击 Flow Analysis，Solve，Run。 2. 点击 Run。 在计算完成之后，关闭 Monitor 对话框。 EFD.Lab 8 教程 3－9 第三章 第一阶段：多孔介质 观察目标 1. 右击 Results 中的 Goals 图标并且选择 Insert。 2. 在 Goals 对话框中选择Equation Goal 1。 3. 点击 OK。 一个具有目标结果的 Excel 电子表格会打开。第一个表格将包含目标最终值。 你可以看到总压降大约为 120 Pa。 为了观察在催化剂截面上非均匀性质量流量的分布，我们将在模型入口处显示均匀的流动迹线分布。 流动迹线 1. 右击 Flow Trajectories 图标并选择 Insert。 2. 在 EFD.Lab 分析树中， 选择 Inlet Velocity1 项，其目的是选择入口盖子的内表面。 3. 在 Settings 页设置 draw trajectories 为 Band。 EFD.Lab 8 教程 3－10 第三章 第一阶段：多孔介质 4. 点击 View Settings。 5. 在 View Settings 对话框，改变 Parameter 从 Pressure 到 Velocity。 6. 设置 Max 最大值 12。 7. 点击 OK 保存改变并退出 View Settings 对话框。 8. 在 Flow Trajectories 对话框点击 OK。 为了观察多孔介质内部的迹线图我们需要采用模型的透明度。 9. 点击 Flow Analysis，Results，Display，Transparency 并且设置模型的透明度为0.75。 你应该看到如下迹线图。 为了比较单向性多孔催化剂和等向性多孔催化体的效率，让我们计算一个单向性类型的多孔介质的项目。 复制项目 1. 点击 Flow Analysis，Project，Clone Project。 2. 输入 Unidirectional作为 Configuration name。 3. 点击 OK。 创建一个单向性多孔介质 EFD.Lab 8 教程 3－11 第三章 第一阶段：多孔介质 你想要创建的材料已经在 Pre-Defined 文件夹下的 Engineering Database 中得到了定义。你可以跳过这个多孔介质材料的定义，从工程数据中直接选择预定义\"Unidirectional\" 材料，以后创建多孔介质的特性。 1. 点击 Flow Analysis，Tools， Engineering Database 。 2. 在 Database tree 选择Porous Media， User Defined 。 3. 在 Items页选择 Isotropic 项。 4. 点击 Copy 5. 点击 Paste 。 。新的 Copy of Isotropic (1) 项出现在列表中。 6. 选择 Copy of Isotropic (1) 项并且点击 Item Properties 页。 7. 重命名为 Unidirectional 。 8. 改变 Permeability type为 Unidirectional 。 9. 保存数据并退出。 现在我们可以应用多孔介质到整块固体。 定义多孔介质-单向性 1. 右击 Porous Medium 1 图标并且选择 Edit Definition。 2. 展开User Defined 多孔介质列表并且选择 Unidirectional 。 3. 在 Direction 中选择 Z 轴，作为全局坐标系。 对于单项性的多孔介质，我们必须通过选择坐标系统的轴来定义渗透方向(在我们的案例中 Z轴为全局坐标系统)。 4. 点击 OK 。 的EFD.Lab 8 教程 3－12 第三章 第一阶段：多孔介质 因为所有其他的条件和目标都被保留，所以我们可以立即开始求解计算。 比较单向性和等向性催化剂 在计算完成之后，为 Equation Goal 1 创建目标云图。 显示如下图流动迹线图： 比较安装在管子中的单向性和等向性的多孔催化剂的迹线图，我们可以得出如下结论： 由于与安装了催化器的大管相连的入口管子不对称，造成这个流体在入口处是非均匀性的。由于这个入口流体的非均匀性，在前部催化剂的流动也是不均匀性的。可以清楚的看到催化剂的类型（单向性和等向性）影响入口流体的非均匀性（轻微），并且促使更大幅度的催化器（特别是前部催化剂）内流动。在这两个例子中，主要的气流进入前部催化剂。对于等向性例子，这个进入前部催化器的气流比单向性的催化器更接近壁面。因此，在前部催化剂的入口处（大约1/3处）流动应该比等向性的非均匀流更加值得关注。然而，由于等向渗透性，在等向性催化器内气流膨胀并且比单向性的催化剂在下一部分所占据的体积要大，对于单向性的催化器由于它的单向渗透性阻碍了气流的膨胀。所以，在前部单向性催化器的后2/3的催化剂的流动比等向性的非均匀性来的小。由于安装在管子中的前后两个多孔介质之间的距离相当小，虽然在单向性的例子中可以看到一个确定方向流动，在这么短的距离内气流没有时间变的更为均匀。所以，发生在前部催化体的出口处非均匀性流体进入后部催化体。之后，我们可以看到在后部催化体中非均匀性流体不会改变。 EFD.Lab 8 教程 3－13 第三章 第一阶段：多孔介质 现在我们来分析一下催化体内部的流速。依据定义的颜色刻度我们可以很方便的确定带颜色的迹线图的速度值。为了对比等向性和单向性催化体内的流速，我们不得不对这两种情况都定义一样的颜色刻度，因为这个最大流速控制了刻度颜色面板的范围，默认情况下对于我们这两个例子他们的最大值略微有点不同。可见就从整个催化剂的角度而言，等向性和单向性催化体的流速几乎相等。因此，从气流在催化剂中滞留时间来看，等向性和单向性催化体并没有差异。 我们现在可以得出结论，等向性催化器比单向性催化器具有更高的效率（均匀流具有一样的阻力），因为等向性中的流动整体而言更均匀。尽管对催化器定义了一样的阻力系数，在使用单向性催化器时总的压降大约低3%左右。这个差异是由于在催化器和它们出口处流体的不均匀性所造成的。 EFD.Lab 8 教程 3－14 第四章 确定水利损失 确定水利损失 传统上在工程实践中任何管路的压力水头损失可以划分为两个部分：沿程阻力损失和局部阻力损失，诸如弯头，T 形管，变径，阀门，风门等。这些水利损失的累加就成为管路总的水利损失。通常情况下，由于基于理论和实践研究所得出的公式相对简单，所以在工程实践方面确定管子中的沿程阻力损失不是很困难。比较麻烦的问题是局部阻力 损失(或者称为局部压降)。 这方面通常只有实验的数据才是可靠的，这主要是由它们自身特性所造成的，特别是分析的管子和装置形状剧烈变化时，这个问题更为突出，另外内部复杂的流动状态也会造成类似的问题。EFD.Lab 提供了一种新的方法来确定这种局部阻力，可以以比较高的精度来计算测管子系统内局部阻力。 复制 Tutorial 1 - Hydraulic Loss 文件夹到你的工作目录，此外由于 EFD.Lab 在运行时会对其输入的数据进行存储，所以必须确保文件处于非只读状态。运行 EFD.Lab。 点击 File，Open。在 Open 对话框，浏览 Tutorial 1 - Hydraulic Loss 文件夹并且找到 Valve.SLDPRT 点击 Open (或者双击这个零件)。 EFD.Lab 8 教程 4－1 第四章 确定水利损失 模型描述 这是一个球阀，通过旋转把手可以开启或关闭阀门。 安装在管路系统中球阀产生的局部阻力损失随着阀门的开度或最小流动面积变化。其中后一项也随着球阀的几何参数变化，球和管子的直径比控制着把手的角度。 arcsin(2Dball) Dpipe工程上标准的确定局部阻力损失的方法是通过计算流体的某一局部（我们的例子中是球阀）上下游的压力差，下游处的位置是流动再次变的均匀处（不再受到干扰）。为了得到局部阻力损失，所以沿程阻力损失必须从直管段总阻力损失中扣除。 在这个例子中我们将获得球阀开度为40°时的局部压力损失。这个 Valve 是一个典型的 EFD.Lab 内部分析。 内部流动分析处理管子，箱体，HVAC等系统内部的流动。流体在入口处进入模型，在出口处离开模型。 为了进行内部流动分析，模型中所有的开口必须用盖子封闭，所以我们必须还在那里定义它们的进出口边界条件。在所有的例子中，充满流体的模型内部空间必须完全封闭。你只要创建盖子就可以作为开口覆盖物。在这个例子中盖子是半透明的，从而可以方便观察阀门。 EFD.Lab 8 教程 4－2 第四章 确定水利损失 为了确保模型完全封闭，点击 Flow Analysis， Tools， Check Geometry。接着点击 Check 计算模型流体的体积。如果流体体积等于0，则这个模型不封闭。关闭Check Geometry 对话框。 Check Geometry 工具允许你计算总的流体和固体体积，当模型时通过检查实体来判断可能存在的几何问题（例如，线接触) 和可视化流体区域和实体。 第一步创建一个新的 EFD.Lab 项目。 创建项目 1. 点击 Flow Analysis， Project，Wizard。项目向导会指导你完全定义一个新的EFD.Lab 项目。 2. 在 Project Configuration 对话框，点击 Use current。每一个 EFD.Pro 项目都与模型有关。 点击 Next。 3. 在 Unit System 对话框你可以对输入和输出（结果）选择合适的单位系统。对于这个项目使用默认的国际单位制 SI 。 点击 Next。 EFD.Lab 8 教程 4－3 第四章 确定水利损失 4. 在分析类型对话框你可以选择 Internal 或 External 流动分析类型。 为了忽略没有包含在内部分析中的封闭内部空间，你可以选择 Exclude cavities without flow conditions。 Reference axis of the global coordinate system (X， Y 或 Z) 用于在表格中定义数据和基于这个轴形成圆柱坐标系。 这一对话框允许你定义一些更为高级的物理特性(固体导热，重力效应， 瞬态问题， 表面辐射，旋转)。 定义 Internal 类型并且接受其它的默认设置。 点击 Next。 5. 因为我们在这个项目中使用水作为流体，打开 Liquids 文件夹并且双击 Water 项。 工程数据库 其中包含了大量的气体，液体和固体以及辐射表面的物理数据信息。你也可以使用 Engineering Database 去定义一个多孔介质。这个 Engineering Database 包含了预先定义的单位系统。除此之外还包括了体积或质量流量与静压差存在对应关系的风机特性曲线。你也可以自己创建你自己的物体，单位，风机特性曲线或定义一个自定义的参数。 点击 Next。 EFD.Lab 8 教程 4－4 第四章 确定水利损失 6. 由于我们不想计算固体内部的导热， 在 Wall Conditions 对话框你可以定义应用的壁面边界条件，默认情况下所有的模型壁面都与流体相接触。 对于这个例子接受默认的 Adiabatic wall 特性，表明所有的模型壁面都是绝热的。 另外在这个项目中我们将不考虑壁面粗糙度。 点击 Next。 7. 在 Initial Conditions 对话框定义流动参数的初始值。对于稳态内部问题，这个初始值越接近实际的流场值，这个计算花费的时间越短。 对于稳态问题 EFD.Lab 直到求解收敛才停止迭代。对于非稳态(瞬态，或随时间变化)问题 EFD.Lab 在你指定的时间段进行计算。 对于这个项目使用默认值。 点击 Next。 8. 在 Results and Geometry Resolution对话框你可以控制分析的精度和网格的设置，以及所需要的计算机资源 (CPU 时间和内存)。 对于这个项目接受默认的精度level 3。 Result Resolution 通过网格设置和完成计算条件来控制求解的精度，其中计算值可以通过计算结果内插得到。 越高的结果定义，需要越精细的网格和更为严格的收敛标准。同时更高精度的计算结果对计算机的性能要求（CPU 和 内存）也更高。 EFD.Lab 8 教程 4－5 第四章 确定水利损失 几何定义 (定义最小缝隙尺寸和最小壁面厚度)通过计算的网格来控制合适的几何模型特征状况。通常情况下越精细的几何状况要求更多的计算机资源。 勾选 Manual specification of minimum gap size并且输入 0.04 m（ 最小流动通道）。 EFD.Lab使用整个模型的特征尺寸，计算域，和你定义的目标和边界条件等信息来计算默认的最小间隙尺寸和最小壁面厚度。然而，这些信息可能无法很好的识别相对较小的缝隙和模型中薄的壁面。这可能会导致不精确的计算结果。在这时候，这个最小间隙尺寸和最小壁面厚度必须被手动设定。 点击 Finish。 EFD.Lab Analysis tree 提供了方便定义项目数据和观察结果的方式。你也可以使用 EFD.Lab 分析树去修改或删除各种 EFD.Lab 特性。 与此同时，一个线框形式的计算域出现在图形窗口中。 Computational Domain 是一个长方体，其中包含的空间内将会进行流动和热交换的计算。 下一步是定义 Boundary Conditions。边界条件在内部流动分析时是用于定义流体在模型进出口的特性，在外部流动时用于定义模型表面。 EFD.Lab 8 教程 4－6 第四章 确定水利损失 定义边界条件 1. 点击 Flow Analysis，Insert， Boundary Condition。 2. 选择Inlet Lid的内表面 (与流体接触侧)。它将出现在 Faces to apply the boundary condition 中。 3. 在 Type of boundary condition 列表，选择 Inlet Velocity 项，并且点 Settings 页。 4. 双击 Velocity normal to face m/s (值的类型和单位会自动出现)。 5. 接受其他的参数并且点击OK 。 空白框并且设置为 1 列表这个进行仿真的水进入阀门时候的速度为1.0 m/s。 6. 选择Outlet Lid的内表面。 7. 在图形区域，右击模型的外部并且选择 Insert Boundary Condition。这个 Boundary Condition 对话框出现，选择的面出现在 Faces to apply the boundary condition 列表。 在计算之前，EFD.Lab 检查定义的边界条件是否满足质量守恒。如果在入口处的质量流量不等于出口处的总质量流量则这个边界条件的定义是错误的。在这种时候不能开始计算。同时注意，从开口处定义的流速和体积流量将会重新计算质量。为了避免由于定义边界条件出现问题，我们推荐你至少定义一个压力边界条件，因为在压力开口处会自动计算满足质量守恒定律的质量流量。 EFD.Lab 8 教程 4－7 第四章 确定水利损失 8. 点击 Pressure openings 9. 接受 Static pressure 10. 点击 OK 。 (101325 Pa) Temperature 并且在Type of boundary condition 列表中选择 Static Pressure 项。 (293.2 K) 的默认值和所有的其他参数。 通过定义这个边界条件我们定义了在阀门管道出口处，水的压力为一个大气压。 依据下式进出口的压力损失可以通过进出口的总压差来确定。 P 2V/2V是水的流速。此处是水的密度，因为我们已经知道了水的流速 (我们定义了 1 m/s) 和水的密度 (998.1934 kg/m3 在定义温度293.2 K情况下)， 之后我们的目标是要确定在阀门进出口的总压值。寻找感兴趣参数最为方便有效的方法是定义它为相应的工程目标。 定义表面目标 1. 在 EFD.Lab 分析树中，右击 Goals 图标并且选择 Insert Surface Goals。 2. 选择入口和出口盖子的内表面 (通过点击 EFD.Lab 分析树中相应的边界可以很方便的做到这一点)。 EFD.Lab 8 教程 4－8 第四章 确定水利损失 3. 勾选 Create a separate goal for each surface 以便创建两个目标。（注意为两个面创建表面目标，有重复选择的面需剔除） 4. 在Parameter 表格的Total Pressure 行勾选 Av。 5. 接受勾选 Use for Conv ，用于创建收敛的控制。 6. 点击 OK 。新的 SG Av Total Pressure 1 和 SG Av Total Pressure 2 项出现在EFD.Lab 分析树中。 现在 EFD.Lab 项目可以进行计算了。当稳态情况下在阀门进出口的总压平均值完成收敛，这个计算将停止。 运行求解 1. 点击 Flow Analysis，Solve，Run。Run 对话框将出现。 2. 点击 Run 开始计算。 EFD.Lab 自动生成一个计算网格。这个网格将计算域划分成一个一个小块，之后再进一步的划分。当需要适合求解的几何模型时，这个网格要进行精练。在网格生成期间，你可以在 Mesh Generation 对话框中看到当前的进度和网格信息。 EFD.Lab 8 教程 4－9 第四章 确定水利损失 监测结果 在计算开始之后， Solver Monitor 将提供给你当前求解的状态信息。你可以观察目标的变化和观察在选择表面上初步的结果。在 Info 窗口的下部EFD.Lab 会告诉你是否产生了不合适的计算结果。在我们这个例子中，信息 “A vortex crosses the pressure opening” 出现，告诉你在你定义压力边界条件开口表面的地方出现了一个漩涡。 在这个例子中，漩涡破裂后进入和流出元件。当流体进入和流出开口时，计算结果的精度有所降低。此外，不能保证一定可以获完全的收敛（例如：稳态目标）。无论如何，在一个压力开口处出现漩涡的计算结果值得质疑。如果这个警告持续的出现，我们应该中止计算并且延长球阀的出口管长，从而提供给漩涡一个发展的空间。对球阀入口管段的连接也是非常有用的，从而避免了由于阀门阻碍影响入口处边界条件参数所引起流动干扰。 如果警告依旧存在，点击 File，Close 去中止计算并且退出 Solver Monitor。 通过改变 Inlet Plane 和 Outlet Plane 特征偏移的距离可以方便的延伸阀门进出口的区域。我们将复制项目到预先定义的 40_degrees_long_valve 例子。 复制项目 1. 点击 Flow Analysis，Project，Clone Project。 2. 点击 Add to existing。 3. 在 Existing configuration 列表， 选择40 degrees-long valve。 4. 点击 OK。 5. EFD.Lab 发现模型已经修改。使用 Yes 确定警告信息。 新的 EFD.Lab 项目，贴附到 40 degrees-long valve 例子的定义，与贴附到 40 degrees-short valve 的旧项目有相同的设置。所以你可以立即开始求解。 EFD.Lab 8 教程 4－10 第四章 确定水利损失 在 EFD.Lab 分析树中，右击40 degree-long valve 根目录项并且选择 Run。 之后点击 Run 开始求解。 当计算完成，关闭 Solver Monitor 对话框。 现在计算期间让我们通过 EFD.Lab 来看下漩涡警告和总压力损失。 创建切面云图 1. 右击 Cut Plots 图标并且选择 Insert 。这个Cut Plot 对话框将出现。 这个 Cut Plot 显示了在被选择部分一个被选择参数的计算结果。为了定义观察部分，你可以使用截平面或者模型平面。这个参数值可以通过等值面，等值线，矢量或者上述几项结合（例如，等值图加矢量图）来描述。 2. 点击特性管理设计树，展开 Valve项并且选择 Plane 2。它的名字将出现在Section Plane or Planar Face 3. 在 Cut Plot 对话框，除了显示 Contours 击 Vectors 4. 在Vectors页，使用滑动条设置Vector spacing 大约为 0.012。 。 ，点 列表中。 5. 点击 View Settings 以便定义在等值图中显示结果值的参数。 在 View Settings 对话框中所做的设置是关于所有 Cut Plots， Surface Plots， Isosurfaces，和 Flow Trajectories 定义的特性。这些设置仅仅应用于那些激活的图形平面区域。例如，在所有切平面和表面云图上的等值线将显示同样的在 View Settings 对话框中选择的物理参数。所以在 View Settings 对话框中每一个显示选项(轮廓线，等值线图，矢量，流动迹线，等值面图)你都可以定义显示的物理参数和设定显示要求。这个轮廓图设置也可以应用到 Isolines， Vectors， Flow Trajectories， 和 Isosurfaces。如果 Use from contours 选项在相应的页中被选择，接着等值线，矢量，迹线图，等值面的颜色将与 Contours（在这个例子中没有使用颜色设定的定义框）页中选择的颜色参数值相一致。 EFD.Lab 8 教程 4－11 第四章 确定水利损失 6. 在 Contours 页的Parameter 框，选择 X-velocity。 7. 点击 OK 保存设置并且退出 View Settings 对话框。 8. 在 Cut Plot 对话框，点击 OK 析树中。 然而，这个切面云图没有在整个模型上显示。为了去看清这个云图，你可以通过点击 Flow Analysis， Results， Display，Geometry 隐藏模型。同时，你也可以使用Section View 选项。 9. 点击 View，Display，Section View。定义 Plane2 作为切平面并且点击 OK。 10. 在 EFD.Lab 分析树，右击 Computational Domain 图标并且选择 Hide。 现在你可以在云图上看到速度图和速度矢量图。 。 新的 Cut Plot 1 项出现在 EFD.Lab 分 为了更清楚的看到一些漩涡，你可以放大一些矢量: 11. 在 EFD.Lab 分析树，右击 Results 图标并且选择 View Settings。 EFD.Lab 8 教程 4－12 第四章 确定水利损失 12. 在 View Settings 对话框，点击Vectors 页并且在Arrow size 框输入 0.02 m。 13. 改变 Min 值为 2 m/s。 通过自定义 Min 我们可以改变矢量的长度从而在某一区域即便速度矢量的值小于Min，但显示的长度却等于 Min。这可以使我们更为细致的观察低速区域。 14. 点击 OK 保存设置并且退出 View Settings 对话框。这个切面云图立刻得到更新。 通过显示流体是如何沿着 X 轴流动，可以方便的观察漩涡。你可以使用两色颜色板以0为分隔线显示 X 方向的速度分量。 15. 在 EFD.Lab 分析树中，右击 Results 图标并且选择 View Settings 。 16. 使用滑动条定义 Number of colors为 2。 17. 在 Min 框输入 -1。 18. 在 Max框输入 1。 19. 点击 OK。 EFD.Lab 8 教程 4－13 第四章 确定水利损失 现在 X 方向的速度分量已经以红蓝两色显示，所有的正值是红色的而所有的负值是蓝色的。这就意味着蓝色区域显示了相反方向的流动，也就是一半的漩涡。 现在我们要显示阀门内的总压分布。 参数列表的使用 默认情况下总压是不包括在可以显示参数的列表中。你可以使用 Parameter List 来开启或关闭某一个显示的参数。 1. 在分析树中，右击 Results 图标并且选择 Parameter List。勾选 Total Pressure 或选择 parameter行的 Total Pressure 并且点击 Enable。 2. 点击 OK关闭 Display Parameters对话框。 现在你可以设置总压轮廓图。 1. 双击图形显示区域左上方的颜色刻度板打开 View Settings 对话框。 EFD.Lab 8 教程 4－14 第四章 确定水利损失 2. 在 Contours 页，在Parameter 框选择 Total Pressure。 3. 使用滑动条设置 Number of colors 为30。 4. 点击 OK 保存设置并且退出View Settings 对话框。 切面云图立刻更新显示总压轮廓图。 这个切面云图显示了流动状态。为了获取用来计算水利损失的总压值，我们将使用表面目标云图。 创建目标云图 这个 Goal Plot 允许你在迭代计算的过程中研究目标的变化。EFD.Lab 使用 Microsoft Excel 显示目标云图数据。每一个目标云图被显示在的电子表格中。 项目所有的目标收敛值显示在一个自动创建的 Excel Summary 电子表格中。 1. 在 EFD.Lab 分析树中，在 Results， 右击 Goals 图标并且选择 Insert。这个 Goals 对话框出现。 2. 点击 Add All。 3. 点击 OK。这个 goals1 Excel 电子表格得到创建。 EFD.Lab 8 教程 4－15 第四章 确定水利损失 这个电子表格显示了在迭代计算期间目标已经被改变。你也可以使总压出现在汇总表格中。 事实上为了获得从入口到出口的压力损失值，通过定义一个具有压力损失作为方程目标表达式的方程目标是一种很方便的方法。然而，为了展示 EFD.Lab 强大的功能，我们将通过 EFD.Lab gasdynamic Calculator 计算来获取压力损失。 这个 Calculator 包含了工程上常用流体动力学的各种公式。这个 calculator对于粗略的估计结果值是非常有用的。所有在 Calculator 的计算只能使用 SI 系统单位制，所以不需要键入参数的单位，并且 EFD.Lab 的单位设置在这里不起作用。 Calculator 的使用 1. 点击 Flow Analysis，Tools，Calculator。 2. 右击 Calculator 中 A1 单元格 并且选择 New Formula。New Formula 对话框出现。 3. 在 Select the name of the new formula 树，展开 Pressure and Temperature 项，并且勾选 Total pressure loss。 4. 点击 OK。这个总压损失计算公式出现在 Calculator 表中。 在 Result (或 A) 栏后，你可以看到公式名称，在后面两栏 (B， C，等)你可以看到自变量的名称（常数和变量），你可以在自变量名称下面的单元格中以 SI 为单位制输入自变量的值。当通过目标对话框获得目标值时也可以从 Excel 电子表格中复制和粘贴他们。在你输入所有的数据并且点击其他单元格，这个结果值会立刻出现在 Result 栏单元格。 5. 如下所示定义单元格的值。 EFD.Lab 8 教程 4－16 第四章 确定水利损失 Density = 998.1934 (在温度 293.2 K 下水的密度)， Velocity = 1。 6. 打开 goals1 电子表格并且复制 SG Av Total Pressure 1 值到剪切板。 7. 在 Calculator，点击 B2 单元格并且按下 Ctrl+V 粘贴目标值。 8. 返回到 Excel，复制 SG Av Total Pressure 2 值。到 Calculator，点击 C2 单元并且按下 Ctrl+V。这个 Total pressure loss 立刻出现在 Result 栏。 9. 点击 File，Save。 10. 在 Save As 对话框 浏览 Tutorial 1 - Hydraulic Loss 文件夹，输入ball valve 为文件名，并且点击 Save。 11. 点击 File，Exit 退出 Calculator。 为了获得局部阻力，必须在获得的总压力损失中剔除沿程阻力损失。要做到这一点，我们通过将把手以 0°完全的开启状态来得到沿程阻力损失。你可以使用 00 degrees-long valve 定义。 因为定义的状况 40 degrees-long valve 和00 degrees-long valve 一样，可以方便的贴附 EFD.Lab 定义到 00 degrees-long valve 例子。 复制当前的项目到00 degrees-long valve 例子。 EFD.Lab 8 教程 4－17 第四章 确定水利损失 因为0角度的球阀变成了一个直管段，不需要定义比默认缝隙尺寸更小的 Minimum gap size 值。在我们例子中，自动设置的值等于管子直径 (自动生成的最小缝隙尺寸根据边界条件设置所在面的特征尺寸来确定)。注意使用更小的缝隙尺寸将导致更为良好的网格，当然要求更高的计算机性能。以最有效的方式求解你的任务是为任务设定最佳的选项。 改变几何求解精度 确定 00 degrees-long valve 是处于激活状态。 1. 点击 Flow Analysis，Initial Mesh。 2. 清除 Manual specification of the minimum gap size 的勾选。 3. 点击 OK。 点击 Flow Analysis，Solve，Run。再点击 Run 开始求解。 在计算完成之后，加载结果并且创建 Goal Plot。goals2 电子表格得到创建。到 Excel 表格并且复制值到剪切板中。 现在你可以计算直管段的总压损失。 1. 点击 Flow Analysis，Tools，Calculator。 2. 在 Calculator 菜单，点击 File，Open。浏览 Tutorial 1 - Hydraulic Loss文件夹并且选择 ball valve.fwc 文件。点击 Open。 3. 点击 B4 单元格并且在计算工具栏，点击 4. 保存总压损失值: 点击 A2 单元格，点击 ，点击A7单元格最后点击 。 从剪切板中粘贴数据。 EFD.Lab 8 教程 4－18 第四章 确定水利损失 5. 双击 Name7 单元格并且键入 40 degree。 6. 右击 Total pressure at point 1单元格并且选择 Add Relation。鼠标 现。 7. 点击 B4 单元格。总压值从 B4 单元格获取。 8. 右击 Total pressure at point 2 单元格并且选择 Add Relation。 9. 点击 B5 单元格。总压值从 B5 单元格获取。这个总压值立刻重新进行计算。 现在你可以计算把手处于40°时候的球阀局部阻力。 ，出 EFD.Lab 8 教程 4－19 第五章 圆柱阻力系数 圆柱阻力系数 EFD.Lab 可以用于研究物体周围的流动和确定由于流动所造成物体上的升力和牵引阻力。在这个例子中我们利用 EFD.Lab 确定一个浸没在均匀流体中的圆柱体阻力系数。这个圆柱的轴线与流体流向垂直。 在雷诺数 1、1000、105 三种情况下进行计算ReUD，D 圆柱的直径， U流体的速度，是密度， 是动力粘度。圆柱体的阻力系数如下式定义：CDFD1U2DL2 此处 FD 是沿流动方向上作用在圆柱体直径D和长度L上总的力。这个仿真的目的是通过 EFD.Lab 来获取圆柱体阻力系数并且与 Ref.1 中的实验数据进行比较。 复制 Tutorial 2 - Drag Coefficient 文件夹到你的工作目录，此外由于 EFD.Lab 在运行时会对其输入的数据进行存储，所以必须确保文件处于非只读状态。运行 EFD.Lab。 EFD.Lab 8 教程 5－1 第五章 圆柱阻力系数 点击 File，Open。在Open 对话框，浏览Tutorial 2 - Drag Coefficient\\cylinder 0.01m 文件夹找到 Cylinder_001m.SLDPRT组件。点击 Open。 这个 Cylinder 分析是了一个典型的 EFD.Lab External 分析。 外部流动分析主要是处理流体在物体上流过的问题，诸如流体经过飞行器，汽车，建筑等。对于外部分析远场才是计算域的边界。你可以在 EFD.Lab 项目中求解一个既有内部分析又包括外部分析的流动问题（例如，流体掠过和通过一个建筑）。如果分析的问题同时包括了内部和外部分析，则你必须定义分析的类型为外部。 首先创建一个新的 EFD.Lab 项目。 创建项目 1. 点击 Flow Analysis，Project，Wizard。这个项目向导会指导你一步一步完成整个项目的特性定义。在这个例子中我们将分析流体在雷诺数为1时，流过圆柱体的情况。 2. 选择 Create new。在 Configuration name 框输入 Re1。这是用 EFD.Lab 创建例子的文件名。 点击 Next。 EFD.Lab 8 教程 5－2 第五章 圆柱阻力系数 3. 在 Unit System 对话框你可以对输入和输出（结果）选择合适的单位系统。对于这个项目使用默认的国际单位制 SI。 点击 Next。 4. 在Analysis Type 对话框选择 External 作为流体分析类型。这一对话框允许你定义一些更为高级的物理特性。在这个项目中我们不使用任何高级的物理特性。 忽略物体内部封闭的空间，你可以选择 Exclude internal spaces;但这个教程中的圆柱体内没有任何内部空间存在。Reference axis of the global coordinate system (X，Y or Z)，用于定义表格或公式中与圆柱坐标系有关的数据，其中圆柱坐标系就是基于这个轴。 当雷诺数小于 40 时，流体流过圆柱体是稳态的 (参见先前的雷诺数定义)而当雷诺数大于40是非稳态。因为在这个教程中首先计算的是雷诺数为1，所以我们首先进行稳态分析。 点击 Next。 5. 因为在这个项目中以水作为流体，打开 Liquids 文件夹并且双击 Water 项。 点击 Next。 EFD.Lab 8 教程 5－3 第五章 圆柱阻力系数 6. 在 Wall Conditions 对话框你可以定义应用到与流体相接触壁面的默认壁面条件。 在这个项目中，我们保持默认的Adiabatic wall 设置 ，假设所有的模型壁面都是绝热的并且壁面的粗糙度为0。 点击 Next。 对于 External 问题，诸如这个例子中的圆柱体，Initial and Ambient Conditions 对话框会要求你定义稳定自由流体的环境流动条件。因此你要定义 Computational Domain 内的初始条件和 Computational Domain 上的边界条件。这个环境条件是工程热力学参数（默认情况下静压和温度），流速，湍流参数。 在这个项目中我们在默认的热力学参数条件下进行分析 (即在一个标准大气压下)，此外根据雷诺数设定入口流体（X向）的速度。 为了方便起见我们可以通过使用 Dependency 框以雷诺数定义入口流体的流速。 7. 点击 Velocity in X direction 区域。 Dependency 按钮被激活。 8. 点击 Dependency。Dependency 对话框出现。 使用 Dependency 你可以以几种方式定义数据：常数、随 x， y， z， r ， ， 坐标和时间（仅仅是瞬态的时候）变化的表格和公式。这个 r 是从参考坐标系（Global Coordinate System 在 Wizard 和 General Settings 对话框中设置）中选择的 Reference axis 到某一点的距离，而 和 分别是球形坐标系的极角和方位角。因此，通过 r，，和 坐标的结合，你可以在圆柱或球形坐标系中定义数据。 9. 在 Dependency type 列表选择 Formula Definition。 EFD.Lab 8 教程 5－4 第五章 圆柱阻力系数 10. 在 Formula 框以雷诺数的形式定义流体速度的公式：1*(0.0010115/0.01/998.19) 这里: 1 –雷诺数 (Re) 0.0010115 (Pa*s) –在温度为 293.2 K时水的动力粘度 () 0.01 (m) – 圆柱体直径 (D) 998.19 (kg/m3)- 在温度为 293.2 K时水的密度 () 11. 点击 OK。返回到 Initial and Ambient Conditions 对话框。 在计算之前想对流体的湍流状况获得良好的估计是非常困难的，所以我们推荐使用默认的湍流参数。EFD.Lab 默认情况下对外部流动的湍流值推荐是 0.1% ，对于内部流动为 2% ，并且这些值适用于绝大多数的场合。在这个例子中我们定义的湍流强度为 1% 。 12. 展开 Turbulence parameters 项并且在 Turbulence intensity 框输入1。 点击 Next。 13. 在 Result and Geometry Resolution 对话框定义求解结果的精度为 7 并且接受自动确定的最小间隙尺寸和最小壁面厚度。 点击 Finish。这个项目得到创建并且自动生成 3D 的计算域。 在这个例子中我们仅仅想确定圆柱体的阻力系数，不需要考虑相应的 3D 的效应。因此为了减少计算机资源的耗费，我们将在这个例子中进行 2D 的计算。 EFD.Lab 8 教程 5－5 第五章 圆柱阻力系数 定义一个2D平面流动 1. 在 EFD.Lab 分析树，展开 Input Data 图标。 2. 右击 Computational Domain 图标并且选择 Edit Definition。Computational Domain 对话框出现。 3. 点击 Boundary Condition 页。 4. 在 2D plane flow 列表选择 XY-Plane Flow(因为Z-axis 是圆柱的轴线)。在 Computational Domain 的 Z min 和 Z max 处自动定义为 Symmetry 边界条件。 点击 Size 页。你可以看到基于模型的尺寸 Z min 和 Z max 边界条件被自动定义。 因此在先前圆柱阻力系数(CD)公式中出现的圆柱参考长度 L = Z max-Z min = 0.002 m。 对于绝大多数的例子，想研究一个物体的外部流场和观察改变设计所造成的影响时，推荐使用默认的由 EFD.Lab确定的 Computational Domain 尺寸。然而在我们这个例子中，我们将对 EFD.Lab计算结果和实验结果的比较，另外我们想以一个更高精度求解设定来获取阻力系数。为了能消除在 Computational Domain边界处由于圆柱存在所造成来流受到的扰动影响，我们将手动的设定远离圆柱体的求解域。由于放大了 Computational Domain 来提高计算精度，所以需要花费额外的计算机资源。 5. 如图所示定义计算域边界的坐标。 (X min= -0.15m，X max= 0.25m，Ymin= -0.15m，Y max= 0.15m， Z min= -0.001m，Z max= 0.001m) 6. 点击 OK。 因为来流方向是 X-axis 方向对齐，通过施加在圆柱体X方向上的力来计算圆柱的阻力系数。 通过定义一个合适的 EFD.Lab 目标，我们可以很方便的获取X方向上的分力。 在这个例子中我们将定义 X - Component of Force 作为 Global Goal。这就保证了在整个求解域上 X - Component of Force (也就是圆柱表面) 将会完全的收敛。 EFD.Lab 8 教程 5－6 第五章 圆柱阻力系数 定义一个全局目标 1. 点击 Flow Analysis， Insert， Global Goals。 2. 在 Parameter 表格勾选 X - Component of Force 第一列。 3. 接受勾选的 Use for Conv，作为收敛控制的目标。 对于 X(Y，Z)方向分力和 X(Y，Z) 方向扭矩目标，你可以选择目标计算时所采用的坐标系。在这个例子中默认的全局坐标系可以满足要求。 4. 点击 OK。新的 GG X - Component of Force 1 项 出现在 EFD.Lab 分析树中。 定义方程目标 在计算完成之后，你需要用力的值来手动计算阻力系数。然而，要 EFD.Lab 做出所有的计算，你只需要定义一个方程目标。 1. 点击 Flow Analysis，Insert， Equation Goal。 2. 在 EFD.Lab 分析树选择 GG X - Component of Force 1 目标。它将出现在 Expression 框中。 3. 使用计算器上的按钮或键盘输入如下表达式： {GG X - Component of Force 1}/(0.002*(1*0.0010115)^2)*(2*998.19*0.01)。 4. 选择 Dimensionality 列表中的No units 并且点击 OK。新的 Equation Goal 1项出现在 EFD.Lab 分析树中。 5. 重命名 Equation Goal 1 为 Drag Coefficient。 EFD.Lab 8 教程 5－7 第五章 圆柱阻力系数 对 EFD.Lab 计算结果和 Ref.1 中的实验结果曲线进行比较，我们需要获得雷诺数分别在 1， 103 和105 时的结果。和雷诺数为1时相类似 Cylinder_001m.SLDPRT 还被用于计算雷诺数在 103 时的流动状况。Cylinder_1m.SLDPRT 被用于计算雷诺数在 105 时的流动状况。 复制项目并且创建一个新的配置 1. 在 EFD.Lab 分析树中，右击上部 Re 1图标并且选择 Clone Project。 2. 在 Configuration name 框输入 Re1000。 3. 点击 OK。新的 Re 1000 例子通过项目贴赋的方式得到创建。 因为这个新项目是 Re1 EFD.Lab 项目的一个拷贝，所以你只要改变当雷诺数为1000时相应的流速值。除了 Units，Result and Geometry Resolution 的设置，使用 General Settings 对话框改变所有 Wizard 定义的数据。 General Settings 通常描述了当前项目的状态参数。你也可以应用 General Settings 到 Wizard 中所做的正确设置或者根据新项目的要求修改利用 EFD.Lab Template 创建的项目。 EFD.Lab 8 教程 5－8 第五章 圆柱阻力系数 改变项目设置 1. 点击 Flow Analysis，General Settings。General Settings 对话框出现。 2. 正如前面所说的那样，当雷诺数大于40时，掠过圆柱体的流体处于非稳态，选择这个项目中的 Time-dependent 物理特性。 3. 在 Navigator 点击 Initial and ambient conditions。 4. 点击 Velocity in X direction 区域并且点击 Dependency。 5. 在 Formula 框，输入对应新雷诺数的公式: 1e3*(0.0010115/0.01/998.19) 6. 点击 OK 返回到 General Settings 对话框。 7. 点击 OK 保存设置并且退出 General Settings对话框。 EFD.Lab 8 教程 5－9 第五章 圆柱阻力系数 改变方程目标 1. 右击在 Goals 下的 Drag Coefficient 图标并且选择 Edit Definition。 2. 在 Expression 框中输入相应新的雷诺数的公式: {GG X - Component of Force 1}/(0.002*(0.0010115*10^3)^2)*(2*998.19*0.01) 3. 在 Dimensionality 列表中选择 No units。 4. 点击 OK保存设置并且退出 Equation Goal 对话框。 实验中使用一种流体介质，通常使用增加流速和模型尺寸（也就是圆柱体直径）来获得更大的雷诺数，因为单纯的通过提高流速来增加雷诺数比较困难，例如 105 时。因为我们仿真计算仅仅使用水完成，在雷诺数为 105 时我们可以通过增加圆柱的直径为 1 m 来完成计算。 如果你想创建一个相类似的项目，通过复制的方法很方便。应用相同的全局项目设置到另一个模型最方便的方法是采用 EFD.Lab Template。 Template 包含了各种各样的项目，这些项目的设置都可以作为新建项目的基础。这些设置可以是问题的类型，物理特性，流体，固体，初始和环境流动参数，壁面热条件，结果和几何求解以及单位系统设置。注意 Boundary Conditions，Fans， Initial Conditions， Goals 和其他特性可以从 Flow Analysis， Insert 菜单访问，另外结果没有被储存在模板中。刚开始，仅仅新项目默认模板可以使用。你也可以创建自己的模板。 创建模板 1. 点击 Flow Analysis，Project，Create Template。Create Template 对话框出现。 2. 在 Template name 框中输入 Cylinder Drag。 3. 点击 Save。新的 EFD.Lab 模板得到创建。 所有的模板文件以 .fwp 后缀存储在 第五章 圆柱阻力系数 以模板形式创建一个项目 打开 cylinder 1m 文件夹中的 cylinder_1m.SLDPRT 文件。 1. 点击 Flow Analysis， Project， New。New EFD.Lab Project 对话框出现。 2. 在 Configuration name 输入Re 1e5。 3. 在 list of templates，选择 Cylinder Drag。 4. 点击 OK。 除了 Geometry Resolution 和 Computational Domain 尺寸之外，新创建的项目和使用Cylinder_001m 几何模型的Re1000 项目具有一样的设置，新的项目依据模型的几何状况通过 EFD.Lab 自动计算新的 Geometry Resolution 和 Computational Domain大小。 注意 2D plane flow 设置和 Global Goal 设置得到保留。现在你可以根据新的模型几何状况修改项目。 1. 点击 Flow Analysis， Computational Domain 并且按右图显示的数据修改计算域的尺寸。（X min= -15m，X max= 25m，Y min= -15m，Y max= 15m，Z min= -0.1m Z max= 0.1） 2. 点击 OK。 3. 在 General Settings 对话框，点击 Initial and ambient conditions，点击 Velocity in X direction 区域，接着点击 Dependency。 4. 如下所示改变 X 方向公式: 1e5*(0.0010115/1/998.19) 点击 OK 返回到 General Settings dialog box。 默认情况下，EFD.Lab 依据模型（也就是圆柱体的直径）总的尺寸的百分之一作为湍流长度。因为Re 1e5 是以模板方式创建所得，其内部设置的湍流长度是基于小的圆柱体(d = 0.01m)计算得到的。对于 cylinder_1m 我们需要改变这个值。 EFD.Lab 8 教程 5－11 第五章 圆柱阻力系数 5. 在 General Settings 对话框展开 Turbulence parameters 项。Turbulence length 框输入 0.01 m。 6. 点击 OK。 7. 正如先前所说的那样为圆柱体的阻力系数创建 Equation Goal 。在 Expression 框输入以下公式: {GG X - Component of Force 1}/(0.2*(0.0010115*10^5)^2)*(2*998.19*1) 8. 在 Dimensionality 列表选择 No units。 9. 点击 OK。重命名 Equation Goal 1 为 Drag Coefficient。 现在你可以求解所有为圆柱体创建的项目。 求解一系列的项目 EFD.Lab 允许你自动的对任何打开的文件进行一系列项目的求解。 1. 点击 Flow Analysis， Solve， Batch Run。 2. 勾选相应栏文件名 Run ，为所有项目(Re 1，Re 1000，Re 1e5) 勾选 Run 。勾选相应栏标题下的 Shutdown Monitor 。当 Shutdown Monitor 被勾选， EFD.Lab 会在求解计算完成之后自动的关闭 Solver Monitor 窗口。 3. 点击 Run。 获取结果 在所有计算完成之后，返回到 Cylinder 0.01m模型，激活 Re 1000 例子。创建一个 Goal Plot 以便获得 Drag Coefficient 值。 1. 点击 Flow Analysis，Results，Load\\Unload Results。 EFD.Lab 8 教程 5－12 第五章 圆柱阻力系数 2. 在 Load Results 对话框，保持默认的项目结果文件 (2.fld)并且点击Open。 3. 在 EFD.Lab 分析树，在 Results下右击 Goals 图标并且选择 Insert 。Goals 对话框出现。 4. 点击 Add All。 5. 点击 OK。goals1 Excel 电子表格得到创建。转换到 Excel 中去获得结果值。 6. 激活 Re 1 例子并且载入结果。为两个目标创建目标结果。 7. 转换到 cylinder 1m 零件，激活 Re 1e5 例子并且为两个目标创建目标结果。 即便这个计算是稳态的，在这种情况下波动的幅度很小，但平均值更为的合理。我们将在其它两个例子中也使用平均目标值。 EFD.Lab 8 教程 5－13 第五章 圆柱阻力系数 将 EFD.Lab 计算结果和实验曲线进行比较。 EFD.Lab 8 教程 5－14 第六章 热交换系数 热交换系数 EFD.Lab 可以用于研究许多工程设备的流体流动和热交换。在这个例子中我们使用 EFD.Lab 确定一个逆流热交换器的效率并且观察其内部的温度和流动形式。使用 EFD.Lab 确定热交换器的效率是非常方便的，并且通过观察流动和温度的分布，设计工程师可以直观的了解所发生的物理过程，从而对于改进设计提供正确的指导。热交换器性能最方便的评判标准是效率，也就是在传热过程中高温流体进入到另一股低温流体中的热量。如果在所有的开口处温度已知，则这个效率可以被确定。在 EFD.Lab 中入口处的流体温度可以被定义并且出口处的温度也可以方便的被确定。热交换系数可以由下式来确定。 通过热流体的热量损失或者冷流体获取的热量，实际的热交换量可以很方便的得出。假设一股流体的温度的改变量等于换热器内的最大温差，则就可以获取最大可能热交inletinlet换量。在热交换器入口处冷热流体的温度是不一样的，为（Thot）。 Tcold outletoutletTcoldThot因此逆流热交换器的效率按下式定义：inlet（如果热流体的额定容量小于inletThotTcoldoutletinletTcoldTcold冷流体的额定容量），或者inlet（热流体的容量大于冷流体的额定容量），inletThotTcold此处额定容量是质量和比热的乘积：Cmc（Ref.2）。 EFD.Lab 8 教程 6－1 第六章 热交换系数 这个项目的目标是计算逆流热交换器的效率。此外，我们也要确定热交换器中心管壁的平均温度。获得的管壁温度可以用于进一步的结构和疲劳分析。 打开模型 复制 Tutorial 3 - Heat Exchanger 文件夹到你的工作目录，此外由于 EFD.Lab 在运行时会对其输入的数据进行存储，所以必须确保文件处于非只读状态。运行 EFD.Lab。 点击 File，Open。在 Open 对话框，浏览 Tutorial 3 - Heat Exchanger 文件夹找到 Heat Exchanger.SLDASM 组件。点击 Open。 EFD.Lab 8 教程 6－2 第六章 热交换系数 创建项目 1. 点击 Flow Analysis，Project，Wizard。 2. 选择 Create new。在 Configuration name 框输入 Level 3。 之所以选择Level 3 作为项目名是因为这个问题将使用 Result Resolution level 3 进行计算。 点击 Next。 3. 在 Unit对话框你可以对输入和输出（结果）选择合适的单位系统。对于这个项目使用默认的国际单位制SI。 点击 Next。 4. 在 Analysis Type 对话框的 Physical features 选项中，选择 Heat conduction in solids。 默认情况下，EFD.Lab 不考虑固体内导热，而仅仅对流体以及流体和壁面之间进行分析（也就是对流）。选择 Heat conduction in solids 选项可以考虑对流和导热热交换，也就是耦合热交换。在这个项目中我们除了分析整个模型壁面和流体之间的热交换，还要分析固体内部的导热过程。 点击 Next。 EFD.Lab 8 教程 6－3 第六章 热交换系数 5. 因为项目中使用了两种流体 (水和空气)，展开 Liquids 文件夹并且增加 Water 之后展开 Gases 文件夹并且增加 Air 到 Project Fluids 列表。检查 Default fluid type 是 Liquids。 点击 Next。 6. 因为我们在向导的 Analysis Type中选择了 Heat conduction in solids，所以Default Solid 对话框会出现.在对话框中你定义了应用到所有固体元件的默认固体材料。对于一个具体的元件定义一个不同的材料，你需要为这个元件创建一个 Solid Material 条件。 如果你想要定义作为默认的材料不在 Solids 表格中，你可以在 Engineering Database 点击 New 定义一个新的材料。这个项目中的管子和冷却器是不锈钢的。 点击 Stainless Steel 使其成为默认材料。 点击 Next。 7. 在 Wall Condition 对话框，选择 Heat transfer coefficient 作为 Default outer wall thermal condition。 你通过定义流体参考温度和热交换系数值可以确定模型外表面和与流体的热交换量。 2 设置 Heat transfer coefficient 值为5W/m·K。 EFD.Lab 8 教程 6－4 第六章 热交换系数 在这个项目中我们不考虑壁面粗糙度。 点击 Next。 8. 在 Thermodynamics parameters 下的 Initial Conditions 对话框中对应的 Pressure 框中输入2 atm 。 EFD.Lab 会自动的将输入的值转换为系统单位对应的值。 点击 Next 接受其他参数的默认值作为初始条件。 9. 在 Results and Geometry Resolution 对话框，我们接受默认的 result resolution level 3 和默认的最小间隙尺寸和最小壁面厚度。 点击 Finish。 在完成 Wizard 后，你可以使用EFD.Lab分析树完成项目的定义。首先你可以利用热交换器的对称性来减少CPU计算时间和内存要求。因为这个模型是对称的，所以切为半个模型，然后在对称切面处使用对称的边界条件。这个方法不是必须采用的，但是出于分析效率的考虑，建议采纳这种方法。 对称边界条件 1. 点击 Flow Analysis， Computational Domain。 2. 在 X max 输入 0。 3. 点击 Boundary Condition 页。 EFD.Lab 8 教程 6－5 第六章 热交换系数 4. 在 X max 列表选择 Symmetry。 5. 点击 OK。 定义流体子区域 因为我们已经在向导中选择 Liquids 作为 Default fluid type 并且以 Water 作为 Default fluid，所以我们需要为管子内部热空气通过的区域定义另一种流体类型和选择另一种流体（空气）。我们可以通过创建 Fluid Subdomain 来达到这个目的。当定义 Fluid Subdomain 参数，我们要指定 Gas 作为选定区域的流体类型。在选择流体区域 Air 作为流体并且初始的温度为 600 K、流速为 10 m/s。 1. 点击 Flow Analysis，Insert，Fluid Subdomain。 2. 选择 Air Inlet Lid内表面 (与流体相接触)。 在一个流动区域内定义流动子区域，我们必须定义区域边界面上的边界条件。也就是，在固体和流体接触面上的边界条件。这个定义在区域边界上的流体子区域将被应用到整个流体区域内。 3. 接受 Coordinate system 和 Reference axis。 4. 在 Fluid type 列表 选择 Gases / Real Gases / Steam。 因为 Air 在向导中已经被定义为一种 Project fluids 并且你已经选择了合适的流体类型，所以它将作为流体子区域的流体。 EFD.Lab 8 教程 6－6 第六章 热交换系数 在 Fluids 页 EFD.Lab 允许你定义流体类型和流体子区域中的流体分布及流动特性，流动特性随着选择的流体类型变化。 5. 在 Flow Parameters下的 Velocity in Z direction 框并且输入-10。 EFD.Lab 允许你定义初始的流动参数，初始的热力学参数，和初始湍流参数。这些设置将被应用到定义的流体子区域。 6. 在Thermodynamic Parameters 下的Pressure 框中输入 1 atm。EFD.Lab 会自动的将输入的值转换为系统单位对应的值。 7. 在Thermodynamic Parameters 下的 Temperature 中输入 600。 这些初始条件不是必须的，并且热空气的入口参数通过边界条件来定义，我们定义它们之后可以加快收敛。 8. 点击 OK。新的 Fluid Subdomain1 项出现在分析树中。 框 9. 为了直观表示边界条件，你可以 Fluid Subdomain1 项命名一个更形象的名字。右击 Fluid Subdomain1 项并且选择 Properties。在 Name 框输入 Hot Air 并且点击 OK。 你也可以在 EFD.Lab 分析树中通过不连续双击对该项进行重命名。 定义边界条件 1. 右击 EFD.Lab 分析树Boundary Conditions 图标并且选择Insert Boundary Condition。Boundary Condition 对话框出现。 EFD.Lab 8 教程 6－7 第六章 热交换系数 2. 选择 Water Inlet Lid 内表面(与流体相接触)。 Faces to apply the boundary condition 列表中出现选择的面。 3. 接受默认的 Inlet Mass Flow 边界条件和默认的 Coordinate system Reference axis。 4. 点击 Mass flow rate normal to face 项 Value 单元以及 格并且设为 0.01 kg/ s。因为对称平面把开口也对分，我们需要定义为实际质量流量的一半。 5. 点击 OK。新建的 Inlet Mass Flow 1 项出现在分析树中。 这个边界条件定义了流体以 0.02 kg/s 质量流量和温度293.2 K 进入到不锈钢热交换器中。 6. 重命名 Inlet Mass Flow 1 项为 Inlet Mass Flow - Cold Water。 之后，定义流体出口处 Environment Pressure边界条件。 7. 在 EFD.Lab 分析树中，右击 Boundary Conditions 图标并且选择 Insert Boundary Condition。 8. 选择 Water Outlet Lid 内表面 (与流体相接触)。被选择的面出现在 Faces to Apply the Boundary Condition 列表中。 并且在Type of 9. 点击 Pressure Openings boundary condition 列表选择 Environment Pressure 项。 10. 接受 Wizard 中 Initial Conditions 对话框中定义的 Environment pressure 以及一些其他的参数。 EFD.Lab 8 教程 6－8 (202650 Pa) 和默认 Temperature (293.2 K) 第六章 热交换系数 11. 点击 OK。新 Environment Pressure 1 项出现在 EFD.Lab 分析树。 12. 重命名 Environment Pressure 1 项为Environment Pressure – Warm Water。 下一步我们要为热流体定义边界条件。 1. 在 EFD.Lab 分析树中，右击 Boundary Conditions 图标并且选择Insert Boundary Condition。 2. 选择 Air Inlet Lid 内表面 (与流体相接触)。 选择的表面出现在 Faces to apply the boundary condition 列表中。 3. 选择 Inlet Velocity 边界条件并且接受默认 Coordinate system 4. 点击 Velocity normal to face动出现)。 5. 展开 Thermodynamic Parameters 项。默认的温度值等于在 Fluid Subdomain 对话框中定义的初始温度值。我们接受这个值。 6. 点击 OK。新建的 Inlet Velocity 1项出现在分析树中。 项值，并且设为10 (仅需要输入值，单位会自 和 Reference axis。 这个边界条件定义了流体以10 m/s的速度和600 K的温度进入管子。 7. 重命名 Inlet Velocity 1 项为 Inlet Velocity– Hot Air。 下一步定义空气出口处的 Environment Pressure 边界条件。 8. 在 EFD.Lab 分析树中，右击 Boundary Conditions 图标并且选择 Insert Boundary Condition。Boundary Condition 对话框出现。 EFD.Lab 8 教程 6－9 第六章 热交换系数 9. 选择 Air Outlet Lid 内表面 (与流体相接触)。 被选择的表面出现在 Faces to apply the boundary condition 列表中。 10. 点击 Pressure openings 11. 接受默认的 Environment pressure Temperature 点击 OK。 (101325 Pa) 值、 并且在 Type of boundary condition 列表中选择 Environment Pressure 项。 (600 K) 和其他参数。 12. 重命名新项 Environment Pressure 1为 Environment Pressure – Air。 这个项目包括了固体导热分析。因此，你必须为模型的元件定义固体材料和初始固体温度。 定义固体材料 注意在开口处的盖子是固体。因为对于盖子的材料是(默认) 钢，它们会对热交换产生影响。因为边界条件必须被定义在与流体区域相接触的固体表面上，所以你不可以在 Component Control 对话框中使其无效。然而，你可以通过定义盖子为绝热从而使其从分析中剔除。 EFD.Lab 8 教程 6－10 第六章 热交换系数 1. 右击 Solid Materials 图标并且选择Insert Solid Material。 2. 在特性管理设计树中选择所有盖子。当你选择盖子时，他们的名字出现在 Components to apply the solid material 列表中。 3. 在Solid中，展开Pre-Defined 材料表并且选择 Insulator。 4. 点击 OK绝热。 Insulator 物质的导热系数为 0。因此整个物体并没有热量的交换。 5. 重命名 Insulator Solid Material 1 项为 Insulators。 。现在所有的辅助盖子都被定义为定义体积目标 1. 在 EFD.Lab 分析树中，右击 Goals 图标并且选择 Insert Volume Goals。 2. 在特性管理设计树选择 Tube 零件。 3. 在 Parameter 表格，勾选Temperature of Solid 行中的Av。 4. 接受勾选 Use for Conv作为收敛控制的目标。 5. 在 Name template 输入VG Av T of Tube。 6. 点击 OK 。 运行计算 1. 点击 Flow Analysis，Solve，Run。Run 对话框出现。 2. 点击 Run。 在计算完成之后你可以通过创建相应的 Goal Plot A来获得感兴趣的温度值。 EFD.Lab 8 教程 6－11 第六章 热交换系数 观察目标 除了使用 EFD.Lab 分析树 你也可以使用 EFD.Lab 工具栏快速方便的访问常用的EFD.Lab 特性。工具栏对于结果的显示非常方便。 点击 View，Toolbars，EFD.Lab Results Main。这个 EFD.Lab Results Main 工具栏出现。 点击 View，Toolbars，EFD.Lab Results Insert。这个 EFD.Lab Results Insert 工具栏出现。 点击 View，Toolbars，EFD.Lab Results Dispaly。这个 EFD.Lab Results Play 工具栏出现。 1. 点击Results Main 工具栏上的 Generate Goals Plot。Goals 对话框出现。 2. 点击 Add All来选择所有项目目标(实际上在我们的例子中只有一个目标)。 3. 点击 OK。 goals1 Excel 电子表格文件得到创建。 你也可以在Summary 中查看管子的平均温度。 创建切面云图 1. 点击Results Insert工具栏上的 Cut Plot 。Cut Plot 对话框出现。 EFD.Lab 8 教程 6－12 第六章 热交换系数 2. 在特性管理设计树中选择Plane 3。 3. 在 Cut Plot 对话框，除了显示Contours Vectors。 ，点击 4. 为了定义温度作为轮廓图的参数，点击 View Settings。默认情况下 Pressure 被定义。 5. 在 Contours 页，在 Parameter列表中，选择 Temperature。 6. 使用滑动条，设置 Number of colors到最大。 7. 在 View Settings 对话框，点击Vectors 页并且设置Max 最大速度为0.004 m/s。 8. 点击 OK 保存设置并且返回到 Cut Plot 对话框。 9. 点击 OK。这个切面云图得到创建，但这个模型覆盖了它。 10. 点击 Standard Views工具栏上的Right。 11. 点击Results Display工具栏上 Geometry 去隐藏模型。 现在让我们来显示换热器内部的流动变化。 EFD.Lab 8 教程 6－13 第六章 热交换系数 EFD.Lab 可以在图形区域内以四个窗口（图形显示区域左下角进行切换）显示仿真结果。此外，对于每一个窗口都可以定义不同的视角。 点击下部窗口在 Standard Views 工具栏选择 Isometric 视角。 窗口边界处的灰线表明窗口属于激活状态。 在 Results Display工具栏，点击Display Model Geometry 具栏点击 Hidden Lines Visible Lines Visible ，之后在 View 工 显示面的轮廓。点击上部窗口并且通过 Hidden 设置相同的显示模式。 为了显示水是如何进入到换热器内部，我们将显示 Flow Trajectories。 显示流动迹线 1. 在 Results Insert工具栏，点击Insert Flow Trajectories ，Flow Trajectories 对话框出现。 2. 在 EFD.Lab 分析树中选择 Inlet Mass Flow – Cold Water 项。 选择Water Inlet Lid 内表面用于放置流动迹线的起点。 3. 点击 View Settings。 EFD.Lab 8 教程 6－14 第六章 热交换系数 4. 在Contours 页Parameter 列表，选择 Velocity。 5. 设置 Max 速度为 0.004 m/s。 6. 点击 OK 保存设置并返回到Flow Trajectories 对话框。 7. 点击 OK。迹线图得到创建和显示。 默认情况下流动迹线图的颜色是依据 View Settings 对话框中 Contours 页定义的参数分布。这是通过 View Settings 对话框的 Flow Trajectories 页中的 Use from contours 选项来控制的。因为你对轮廓图的速度进行了定义，所以这个迹线的颜色和速度值相对应。 注意上部窗口的温度轮廓图依旧显示，对于每一个窗口不同的视角设置可以让你同时显示不同的物理参数云图。 因为我们对温度的分布更感兴趣，所以我们使用温度值对应的颜色作为迹线的颜色。 1. 右击下部窗口的图形显示区域选择View Settings。 2. 在Contours 页，Parameter 对话框，选择 Temperature。 3. 点击 OK。这个迹线图立刻被更新。 EFD.Lab 8 教程 6－15 第六章 热交换系数 水的温度范围小于默认的全局(Global)范围 (293 – 600)， 所以所有的迹线都是蓝色。为了得到更多水中温度的分布信息，你可以手动的设定感兴趣的范围。 让我们显示在进出口水温范围之间的温度。 水的最小温度值接近293 K。我们使用表面参数来获得空气和水在出口处的值。 因为需要用这些值来计算热交换系数和确定合适的温度范围从而更好的显示流动迹线。 表面参数 在定义的表面上显示计算的参数值(最小值，最大值，平均值等)。 所有的参数被划分为两类: 局部和完整. 对于局部参数 (压力， 温度， 速度等)最大值、最小值和平均值是计算获得的。 表面参数计算 1. 在 Results Insert 工具栏上，点击Computation of Surface Parameters 。Surface Parameters 对话框出现。 2. 点击 Environment Pressure - Warm Water 项，去选择 Water Outlet Lid 内表面。 3. 选择 Consider entire model 去考虑 Symmetry 边界条件，作为一个整体来看参数值，而不是作为我们计算时的一半。 对于这种类似质量和体积流的参数特别的方便。 4. 点击 Evaluate。 5. 在参数被计算之后，点击 Local 页。 EFD.Lab 8 教程 6－16 第六章 热交换系数 你可以看到在出口处平均的水温大约在 300 K。 现在让我们确定在出口处的空气温度。 6. 转换到 Definition 页。 7. 点击 Environment Pressure - Air 项，选择 Air Outlet Lid 内表面。 8. 点击 Evaluate。 9. 在参数被计算之后，点击 Local 页。 你可以看到在出口处平均的空气温度大约在 584 K。 10. 点击 Integral 页。你可以看到空气的质量流量为 0.046 kg/s。这个值计算时是开启 Consider entire model 选项，也就是考虑Symmetry 边界条件。 11. 点击 Cancel 关闭对话框。 EFD.Lab 8 教程 6－17 第六章 热交换系数 计算热交换系数 这个热交换系数可以很方便的计算，但首先我们必须定义流体最小的额定容量Cmc。在这个例子中水的流量是 0.02 kg/s 并且空气的质量流量是 0.046 kg/s。水在温度300 K 时的比热大约是空气在584 K时的5倍。 因此，这个空气的额定容量是小于水的额定容量。此外，根据 Ref.2，热交换系数可以通过下式来计算。 inletoutletThotThotinletinletThotTcold inletoutletinlet此处 Thot 是入口处空气的温度（600K），Thot 是出口处空气的温度，Tcold 是水在入口处的温度。 我们已经知道了入口处的空气温度 (600 K) 和入口处的水温 (293.2 K)，所以使用在出口处获得的水温和空气温度， 我们可以计算得出热交换系数。 inletoutletThotThot600584inlet0.052 inletThotTcold600293.2定义参数显示范围 1. 右击下部窗口图形显示区域并且选择View Settings。 2. 在 Contours 页，设置 Max 温度为 300 K。 3. 使用滑动条设置 Number of Colors 为最大。 4. 点击 OK。迹线图得到更新。 如果你定义了范围，可以很方便的显示（在整个 Computational Domain 的计算）当前轮廓图参数的全局最大和最小值。 EFD.Lab 8 教程 6－18 第六章 热交换系数 5. 在Results Display工具栏上点击 Global Min Max 。这个全局最大和最小值出现在顶部。通过一个圆点参数全局最大和最小值在几何区域高亮。蓝色圆点显示的位置是参数的最小值，而红色圆点显示的位置是参数的最大值。 正如你所看到的， EFD.Lab 是热交换器设计非常有用的工具。 Ref. 2 J.P. Holman. “Heat Transfer” Eighth edition. EFD.Lab 8 教程 6－19 第七章 网格优化 网格优化 这个教程的目的是演示 EFD.Lab 中不同的网格功能可以使你以手工方式更好的对问题进行网格改进。尽管自动生成的网格通常都是合适的，但对一些复杂的问题而言，计算机内存显得太小，因为这些问题具有重要的小而薄的几何和物理特征，而这些特征可能会导致大量的网格。在这种情况下我们推荐你尝试使用 EFD.Lab 相应的选项来手动的调整对于求解问题特征的计算网格，以便更好的求解。这个教程就是引导你如何做到这一点。 Ejector in Exhaust Hood 例子目的是； 通过手动调整最初的网格来解决在最小缝隙尺寸和模型尺寸之间大的长宽比。 通过定义局部网格设置来求解小的特征。 EFD.Lab 8 教程 7－1 第七章 网格优化 问题描述 这个喷射器模型如下图所示。注意喷射器口的直径还不到模型中最小特征尺寸的1/1000，其中这个最小模型特征尺寸取决于计算域的大小。 EFD.Lab 8 教程 7－2 第七章 网格优化 模型定义 复制 Tutorial 4 – Mesh Optimization 文件夹到你的工作目录，此外由于 EFD.Lab 在运行时会对其输入的数据进行存储，所以必须确保文件处于非只读状态。打开 Ejector in Exhaust Hood.SLDASM 组件。 项目定义 按下表通过向导创建一个新项目； Project Configuration Unit system Analysis type Physical features Fluids substances Wall Conditions Initial Conditions Result and Geometry Resolution Use current USA Internal; Exclude cavities without flow conditions Gravity; Default gravity (Y component: -32.1850394 ft/s^2) Air， Chlorine Adiabatic wall， default smooth walls Initial gas concentration: Air – 1， Chlorine - 0 Default result resolution level 3; Default geometry resolution: automatic minimum gap size and minimum wall thickness， other options by default 当开启重力效应时，关注与全局坐标系相关的计算静压，如下: Phydrostatic(gx*xgy*ygz*Z)，此处是参考密度，gi是重力加速度在全局坐标系中 x，y，z向上的分量。 边界条件 首先，让我们定义所有必须的边界条件，因为它们会影响通过最小缝隙尺寸自动生成的初始网格。这个最小缝隙尺寸根据边界条件设置所在面的特征尺寸变化。 EFD.Lab 使用关于边界条件（也可以是热源，风扇等)和目标所定义面的有关信息计算默认的最小缝隙尺寸。因此，在你开始分析网格之前，建议你先设定所有的边界条件。 EFD.Lab 8 教程 7－3 第七章 网格优化 首先两个边界条件被施加在排风罩的进出口。 如果你打开 Initial Mesh 对话框(点击 Flow Analysis，Initial Mesh) 并且选择Manual specification of the minimum gap size 选项，你可以看到当前自动生成的最小缝隙尺寸是 0.5 ft， 它是出口的宽度 (如果你已经打开 Initial Mesh 对话框， 点击 Cancel 放弃设置)。 下一个入口体积流量边界条件定义气体从 Ejector 元件底部喷射出来。 EFD.Lab 8 教程 7－4 第七章 网格优化 如果你现在看最小缝隙尺寸 (点击 Flow Analysis，Initial Mesh，Manual specification of the minimum gap size)，你可以看到这是非常接近于孔的直径- 0.0044528 ft。 最小缝隙尺寸是控制计算网格的一个参数，所以每一个确定的缝隙都会产生一个确定的网格数量。为了实现这一条件可以通过 EFD.Lab 设置相应的控制网格参数。 (基本网格单元数，小的固体特征精细程度，狭长通道精细度等)。注意这些参数都是应用到整个求解域上，求解其相同几何特性的特征(不是仅仅应用到某一具体的缝隙)。 因为在整个计算域上最小缝隙尺寸会影响网格，在模型和最小间隙尺寸的大的长宽比将产生一个非最优的网格：不仅仅所有的小缝隙会被求解，而且在其中有很多网格是没有必要进行求解的。所以，产生了一个极度庞大的网格数量，这大大提高了对计算机性能的要求。 此外，如果最小缝隙尺寸和模型之间的长宽比超过了1000， EFD.Lab 可能无法对模型自动生成的网格进行充分的求解。 最后，让我们创建一个喷射器多孔介质，同时将其应用到喷射器的顶部和侧面。 你所要想创建的材料已经在 Pre-Defined 文件夹下的 Engineering Database 中定义了。你可以跳过定义多孔介质这一步骤，之后当要求创建多孔介质时，直接从Engineering database 选择预先定义的 \"Screen Material\" 。按如下图应用材料。 EFD.Lab 8 教程 7－5 第七章 网格优化 为了更好的了解局域化网格和优化选项的功能，现在让我们尝试来生成有自动网格设置所控制的计算网格。 在Flow Analysis中打开Solver 下的Run对话框，勾选 Create Mesh注意不要勾选Solvevr。Run 开始生成网格。 通过 分析树中的Result 下的Cut Plot，可以查看网格。 生成的网格数超过了 1100000 ，由于计算机内存的无法在一些陈旧的计算机上进行计算。(你可能会看到内存不够的警告信息)。 EFD.Lab 8 教程 7－6 第七章 网格优化 手动设置最小缝隙尺寸 我们可以将模型分成两个不同的部分: 一个是相对较大的空腔，在这个空腔中有几个薄壁面，但没有小的固体特征，另外一部分是包括了一些非常精细几何特征的喷射器区域。因此，要求网格既要适合喷射器的求解又要适合模型中其他部件的求解是非常困难的。因为喷射器区域是整个计算域的一部分，我们需要对模型中喷射器外部不需要过多网格求解区域中自动生成的网格进行定义。 由喷射器 Top Screen 和 Side Screen 元件尺寸自动定义的最小缝隙尺寸太小并且会导致过多的网格。 要定义合适的最小缝隙尺寸我们必须检查喷射器外部所有狭长的流道。 边界状况； 连接喷射器内部空间和模型空腔的通道。 挡板之间的狭长通道。 在检查模型之后，我们可以接受中间和上部挡板之间的宽度作为最小缝隙尺寸。为了避免产生过多的网格，我们将为最小壁面厚度定义相同的值。 1. 点击 Flow Analysis，Initial Mesh。 2. 使用滑动条 Level of the initial mesh 为 5。 3. 勾选 Manual specification of the minimum gap size 并且在 Minimum gap size 中输入0.067 ft。 4. 勾选 Manual specification of the minimum wall thickness 并且在 Minimum wall thickness 框中输入 0.067 ft。 5. 点击 OK。 EFD.Lab 8 教程 7－7 第七章 网格优化 按前面所述方法生成网格并进行查看，生成的网格数目比 Minimum gap size 和 Minimum wall thickness 默认值情况下生成的网格大为减少。这个总网格数小于 200 000。 EFD.Lab 8 教程 7－8 第七章 网格优化 关闭自动网格定义 我们已经成功的减少了网格的数目，但是仍然沿用着高精度网格。高精度网格在具有细小几何特征的区域可以提供更好的网格质量。然而，实际上我们并不需要在流场变化缓慢的地方设置这么精细的网格。我们可以通过关闭自动定义网格生成设置和手动调整这些设置选项来进一步的减少网格数目。通过减少的网格数目节省下来的内存资源，可以帮助我们对喷射器细小几何特征更好的求解。 点击 Flow Analysis，Project，Rebuild。 1. 点击 Flow Analysis，Initial Mesh。通过清除 Automatic settings 前的勾选来关闭自动网格设置。除非定义局部初始化网格设置，否则Initial Mesh 对话框控制整个求解域内基础网格和初始的网格。 网格之所以被命名为 Initial 是因为它是计算开始时的网格，如果网格自适应开启的话，它可以在计算期间做进一步的优化。初始网格的形成是基于 Basic 网格 ，通过定义的网格设置来优化基础网格从而获得初始网格。基础网格的形成是通过与全局坐标系的轴垂直的平面把计算域划分成小部分。 当前最初网格参数的设置是 EFD.Lab 根据先前定义的自动网格设置，包括 Minimum gap size 和 Minimum wall thickness 所确定的。 2. 在 Narrow channel 页并且设置 Narrow channels refinement level 为 1。这有助于减少挡板和 Box 壁面之间狭长通道之间的网格数目。 Narrow channels refinement level 定义了模型中与基础网格有关的流动通道最小的网格尺寸。如果 Narrow channels refinement level 被定义为 N = 0…7，优化网格小于基础网格的 2N (在全局坐标系的每一个方向上或者是体积的 8N )倍。 EFD.Lab 8 教程 7－9 第七章 网格优化 生成如下网格， 大约 75 000 网格数。 EFD.Lab 8 教程 7－10 第七章 网格优化 使用局部初始化网格选项 喷射器的外形得到很好的解决。然而，如果你生成网格并且放大喷射器开口区域，你会发现气流入口面还是不能进行求解。正确的施加边界条件对边界面上的求解相当重要。为了对入口面更好的求解，我们将使用 Local Initial Mesh 选项。 局部初始化网格选项允许你在计算域的某一局部区域内定义一个初始化网格，以便在这一区域对模型和流动特性进行更好的求解。 可以通过元件控制对话框开启/关闭的方式在一个组件的元件上进行局域化定义，或者可以通过选择模型的面，边，点来定义局域化初始网格。局域化网格设置可以被应用到感兴趣的元件，面，边附近，或者一个接近所选点的附近。 1. 点击 Flow Analysis， Insert，Local Initial Mesh。 2. 选择喷射器开口的内表面或者点击 EFD.Lab 分析树中的 Inlet Volume Flow 1 边界条件，也就是边界条件被应用的面。 3. 清除勾选的 Automatic settings 并且转到 Refining cells 页。 4. 勾选 Refine all cells 并且使用滑动条设置Level of refining all cells 到它的最大值 7。 5. 点击 OK。 EFD.Lab 8 教程 7－11 第七章 网格优化 现在我们已经确定了在喷射器入口上表面上的优化网格的精度为最高级别。这个局部精细网格如下所示。 定义控制平面 这个基础网格在很多方面都控制着生成的计算网格。想要生成最优的网格，合适的基础网格是必不可少的。 你可以通过以下几种方式来控制基础网格； 改变沿着X，Y，Z-轴的基础网格数目。 移动或插入基础网格平面。 通过改变基础网格平面之间的相对距离来延长或收缩基础网格。 局部网格设置不会影响基础网格，但基础网格是敏感的：所有优化网格的级别都将影响基础网格。 你可能注意到喷射器开口处内表面的求解网格是不对称的。这可能对定义的边界条件产生一个不利的影响。我们要增加一个控制平面去移动网格之间的边界从而使它经过入口表面的中心。 1. 在 Initial Mesh 对话框，点击 Basic Mesh 页。 2. 点击 Add Plane。Create Control Planes 对话框出现。 3. 在 Creating mode 列表，选择 Reference geometry。 4. 在 Parallel to 下选择 XY。 5. 放大喷射器口区域并且在图形区域选择入口面边上的一个顶点。这个控制平面将经EFD.Lab 8 教程 7－12 第七章 网格优化 过这个边缘的中心，这个边平行于在 Parallel to 组中选择的全局坐标系平面。检查沿着 Z axis 的平移距离， 在 Control planes 列表中显示， 等于 0.703125 ft.如果不是，意味着我们刚才选择的几何特征并不是我们真正所要选择的.在这种情况下 右击 Control planes 列表并且选择 Delete All，接着尝试再次选择入口面的边缘。 6. 点击 OK。Z2 Control Plane 出现在 Control planes Table中。 在求解之前你可以观察基础网格。观察基础网格可以点击Initial Mesh 对话框的 Sraw basic mesh 或者点击 Flow Analysis，Project，Show Basic Mesh。 7. 点击 OK保存设置并且关闭 Initial Mesh 对话框。 之后，生成初始化网格去检查是否薄壁和其他几何体被求解。 1. 点击 Flow Analysis，Solve，Run。 2. 为了仅仅生成网格清除 Solver 勾选。 3. 清除 Load results 勾选。 4. 点击 Run。 先观察初始化计算网格，让我们转换 EFD.Lab 项使用网格划分几何模型而不是几何模型去观察结果。 默认情况下，当显示结果时 EFD.Lab 显示几何模型。根据求解的不同精度，这个进行计算的几何模型可能略微不同于模型。为了显示真正的几何模型，保留 Use CAD geometry 。 5. 点击Tools，Options之后点击Third Part。（注意是菜单栏中的 Tools，不是Flow Analysis 下的 Tools） 6. 在EFD.Lab Options 页下的General Options 中，勾选 Display mesh。 7. 在 View Options 清除 Use CAD geometry (Default) 勾选。 8. 点击 OK。 将最初计算网格载入文件：右击 Results 图标并且选择 Load Results，之后选择 1.cpt 文件并且点击 Open。注意总的网格数大约在 75 000。 EFD.Lab 8 教程 7－13 第七章 网格优化 包括了当前的计算网格的计算结果被存储在 .fld 文件中，然而最初计算网格被单独的保存在 .cpt 文件中。两个文件都被保存在项目文件夹中， 这个项目文件夹的数字名是由 EFD.Lab确定的并且不能改变。 使用 Mesh 选项创建一个基于 CENTERLINE 平面的切面云图。通过喷射器入口面处基于选择的面偏移 Offset -0.00025 ft ，再创建一个切面云图，其设置和第一个切面云图一样。 现在你可以看到生成的网格是关于入口面中心对称的。 创建第二个初始化网格 具有网格定义设置的喷射器几何模型将会进行合适的求解。但我们创建一个良好的求解网格不仅仅针对精细的几何特征，而且还包括细微的流动特征。在 Ejector Analysis 项目中可以在喷射器内部空间中发现这些小的流动特征，在那些地方细小的氯，从喷射器口喷射出。因此在喷射器内的网格必须进行单独的划分。仅仅在这些区域优化网格从而避免在模型的其它区域产生过多的网格，我们对这个元件附近区域应用一个局域化网格。这个元件单独的进行局域化网格划分。 显示隐含的 LocalMesh 元件。EFD.Lab 出现一个警告信息后点击 Close。注意这个元件被创建从而导致在元件的边界和感兴趣的固体特征（也就是喷射器）之间产生小的距离。因为全局设置仅仅被应用到所选择模型元件内中心网格处，建议元件的边界与固体元件的壁面偏移。 EFD.Lab 8 教程 7－14 第七章 网格优化 在显示隐含的 LocalMesh 元件之后会出现一个错误信息告知你入口处体积流量条件没有与流体区域接触。在 Component Control 对话框中关闭这个元件从而将它作为一个流体区域可以消除这个问题。 点击 Flow Analysis， Component Control 并且关闭LocalMesh 2元件。点击 OK。 通过点击 Flow Analysis，Project，Rebuild，来重建这个项目。 通过选择Local Initial Mesh下 Region 页中的 Disable solid components 选项，从 Local Initial Mesh 对话框，你也可以直接关闭元件。 接下去要对喷射器区域定义局部网格设置。 1. 选择 LocalMesh 2元件。 2. 点击 Flow Analysis， Insert， Local Initial Mesh。 3. 清除 Automatic settings 勾选，并且转换到 Narrow Channels 页。 4. 定义 Characteristic number of cells across a narrow channel 等于15。 5. 使用滑动条设置 Narrow channels refinement level 为 3。 6. 点击 OK。 在 Narrow Channels 页的设置控制模型中流动通道的网格优化。 Characteristic number of cells across a narrow channel 框定义了初始网格的数目(包括局部网格) EFD.Lab 将在垂直于固体和流体截面方向上尝试对模型流动通道截面进行设置。如果可能，穿过狭长通道的网格数将等于定义的特征数目，另外也可能接近特征数目。如果这种情况不满足，在这个方向上的网格将被划分直至满足这种情况。 重新构建项目，再次创建网格 (不需要计算) 并且载入 1.cpt 文件。 点击 Flow Analysis，Results，Display Geometry 去隐藏模型。 EFD.Lab 8 教程 7－15 第七章 网格优化 最后，让我们对喷射器内部固体和流体区域仅仅使用了100 000网格与自动生成的1100000网格进行比较。 EFD.Lab 8 教程 7－16 第七章 网格优化 EFD.Lab 8 教程 7－17 第八章 EFD Zooming 应用 EFD Zooming 应用 问题描述 EFD.Lab 的 EFD Zooming 功能用一个工程化的例子来演示，这个例子是为电子设备内部一个与其它电子元件相连的主芯片选择一个更好的散热器外形。 如图所示这个电子设备组件模型包括了着重考虑的主芯片散热器。安装在设备入口处的风扇吹风进入设备内部，其目的是对温度升高的电子元器件（其内部有热源）进行冷却。扁平的主芯片被贴赋在由绝缘材料构成的主板上。为了使主芯片更好的冷却，在芯片的上表面安装了一个搭载风扇的散热器。 EFD.Lab 8 教程 8－1 第八章 EFD Zooming 应用 这个问题的工程目的是确定分别使用两个不同散热器时主芯片的温度。在电子设备内其它的条件都是不变的。因此，我们可以发现这个两个不同外形散热器之间的制冷能力差异。 散热器的外形比较 (No.1 and No.2) 正如你所看到的，除了主芯片的散热器之外电子设备内部所有的元件都被定义为粗糙的模型，这些模型没有详细的几何特征，主要是因为它们不会影响要进行重点分析的主芯片温度（设备模型被简化到这个程度是刻意的）。恰恰相反，散热器的每一个外形特征都得到了详细的描述，薄翅片(厚度 0.1 in)之间具有狭长的通道 (缝隙宽 0.1 in)。 EFD.Lab 8 教程 8－2 第八章 EFD Zooming 应用 使用 EFD.Lab 求解问题的两种方式 EFD.Lab 允许我们简化这类问题的求解。两种可用的方法如下所述。 第一种方法也是最直接的方法，我们使用 Local Initial Mesh 选项对散热器狭长通道和薄翅片的网格进行精练，之后分别对不同外形散热器的方案计算整个电子设备内部的流场。通常情况下， Heat conduction in solids 选项在计算时要开启。 另外一个方法求解要分为两个阶段 (EFD Zooming 使用 Transferred Boundary Condition选项)。 1. 以低的结果求解精度并且不对散热器的详细特征进行求解（采用平行六面体来替代梳状的散热器），此外关闭 Heat conduction in solids 选项，在此基础上对整个电子设备的内部流动进行求解计算。 2. 使用 Transferred Boundary Condition 选项，采用第一阶段的计算结果作为边界条件，在散热器狭长通道和薄翅片上定义良好的计算网格， 同时要开启 Heat conduction in solids 选项，对包含了主芯片的小求解域进行真实的梳装散热器流动计算。 一旦第一个阶段的计算完成，之后可用于两种不同散热器外形的第二阶段计算。 EFD 缩放方法 首先我们通过 Transferred Boundary Condition 选项，使用第二种方法(EFD Zooming)进行计算。之后，为了验证这种方法所得结果的准确性，我们通过 Local Initial Mesh 选项，使用第一种方法来进行求解。 EFD.Lab 8 教程 8－3 第八章 EFD Zooming 应用 第一阶段 EFD Zooming 第一阶段 EFD Zooming 的目的是计算整个电子设备内部的流动，所以没有必要对一些流动的小特征进行求解（也就是散热器翅片间的流动）。因此，我们以一个平行六面体的组件来替代梳状的散热器。 一个平行六面体散热器被用于第一阶段的EFD缩放 在这一简化模型阶段允许我们使用低精度的自动初始化网格（我们使用 4 ）和自动设置的最小缝隙尺寸及最小壁面厚度进行电子设备内部的流动求解。此外，在这一阶段由于我们不计算主芯片的温度，所以没有必要计算固体的导热。然而，我们定义了主芯片、散热器（平行六面体）表面、小芯片（在这个例子中它们也发热）表面的热功耗统一为5W，为了模拟空气流过电子设备时被加热。这么做不是必须的，但在这一阶段关闭固体导热可以节省计算机资源。因此，在这一阶段对计算机资源（内存和计算时间）的要求被大大减少。 项目第一阶段 EFD Zooming 模型定义： 复制 Tutorial PE1 - EFD Zooming 文件夹到你的工作目录，此外由于 EFD.Lab 在运行时会对其输入的数据进行存储，所以必须确保文件处于非只读状态。运行 EFD.Lab。 打开 Enclosure Assembly.SLDASM 组件。选择 Zoom-Global-L4 例子。 注意散热器 (HeatSink.SLDPRT) 是平行六面体的。 EFD.Lab 8 教程 8－4 第八章 EFD Zooming 应用 项目定义: 按下表使用Wizard 创建一个新项目。 Project name Unit system Analysis type Physical features Fluid Wall Conditions Initial Conditions Result and Geometry Resolution Use current: ZOOM-GLOBAL-L4 USA Internal; Exclude cavities without flow conditions No physical features are selected Air Adiabatic wall， Default smooth walls Default conditions Result resolution level set to 4， other options are default 对于这个项目我们使用自动生成的初始网格和默认的求解域。 注意 Level of initial mesh 设置为4与向导中定义的 Result resolution level 一样。Result Resolution 在创建项目时定义两个参数，称为 Level of initial mesh 和 Results resolution level.。 Level of initial mesh 受 Initial Mesh 对话框决定并且仅仅控制初始化网格。Results resolution level 受 Calculation Control Options 对话框决定并且控制计算期间的网格精练和计算完成条件。影响初始网格的 Geometry Resolution 选项可以在 Initial Mesh 框中进行改变，并且他们的影响可以在 Initial Mesh 和 Local Initial Mesh 对话框中进行改变。 EFD.Lab 8 教程 8－5 第八章 EFD Zooming 应用 单位系统: 在完成向导设置之后，首先我们要调整单位系统。新的自定义单位系统是基于预定义的 USA 单位，但使用W作为功率单位，英寸作为长度单位。 1. 点击 Flow Analysis，Units。 2. 为 Length 定义Inch 并且为Total heat flow & power 定义 Watt 。 3. 点击 Save。 4. 在 Save to Database 对话框，展开Units 组并且选择 User Defined 项。 5. 命名新的单位系统为 Electronics。 6. 点击 OK 返回到 Unit System 对话框。 7. 点击 OK。 边界条件： 我们在入口处定义外部入口风扇，以及在3个出口处的环境压力。想要获得关于如何设置边界条件更详细的解释请参考 First Steps - Conjugate Heat Transfer 教程。 EFD.Lab 8 教程 8－6 第八章 EFD Zooming 应用 热源： 正如这一章节前面所提到的，为了模拟经过电子设备时流体的温升，我们分别定义了主芯片、散热器（平行六面体）表面、小芯片（在这个例子中它们也发热）表面的热功耗统一为5W。因为在这个项目中我们不考虑导热，表面热源仅仅被应用到与流体相接触的面。以下是在需要的面上创建热源。 1. 点击 Flow Analysis，Insert，Surface Source。 在特性管理设计树选择 Heat Sink和 Main Chip 元件。 EFD.Lab 自动选择散热器的所有面和主芯片元件 。与流体不接触的面必须从Faces to apply the surface source 2. 点击 Filter Faces 3. 点击 Filter。 。选择 Leave only outer faces and 列表中去除。 faces in contact with fluid。 选择模型树中的这个元件，之后通过手动的寻找和去除不需要的面（一个接一个），但是当要去除的面比较多的时候这可能会耗费比较多的时间。为了方便起见，我们可以选择所有元件的面，再通过 Filter 列表选择不需要面的类型，然后去除这些不需要的面。 4. 设置热源的值为 5 W。 5. 点击 OK 。 EFD.Lab 8 教程 8－7 第八章 EFD Zooming 应用 遵从一样的步骤，在小芯片所有面上创建一个5W的表面热源。 目标： 定义在出入口的质量流量表面目标。 运行计算。在计算完成之后，你可以开始进行关注主芯片的第二阶段 EFD Zooming 计算。 保存模型。 第二阶段 EFD 缩放 EFD Zooming 的第二阶段目的是确定主芯片的温度，我们对包括了主芯片的小计算域进行散热器上的流动仿真，使用 Transferred Boundary Condition 选项去采用第一阶段的计算结果作为边界条件。为了计算固体的温度，我们开启 Heat conduction in solids 选项。因为在这一阶段求解域被减小，所以在散热器狭长的通道和薄翅片上可以划分比较细密的计算网格，同时计算时也考虑固体的导热。 项目第二阶段 EFD Zooming 模型定义: 激活 Zoom-SinkNo1-L4 例子。 EFD.Lab 8 教程 8－8 第八章 EFD Zooming 应用 项目定义: 如下所示使用 Wizard 创建一个新的项目： 这里，我们通过定义 Result resolution level (Level of initial mesh) 为4，使用自动初始网格，但与第一个阶段计算不同的是，我们手动定义最小缝隙尺寸为 0.1 in 以便更好的求解散热器的特征。 下一步，我们将减小计算域去着重关注主芯片，也就是完成 EFD Zooming。 计算域: 减小求解域是 EFD Zooming 的目的， 必须利用第一阶段的计算结果作为第二阶段求解域的边界条件。因此为了在第二阶段获得可靠的计算结果，我们必须定义计算域的边界（与全局坐标系的X，Y，Z平面相平行）条件满足下列几项： EFD.Lab 8 教程 8－9 第八章 EFD Zooming 应用 1. 来自第一阶段计算结果与边界处流动和固体参数必须尽可能的保持一致。 2. 这个边界不能太靠近感兴趣的物体，因为这些物体的特征在第一阶段没有得到求解。计算域必须足够大以致物体新增加的复杂特征不会影响到求解域。 3. 定义或转移到边界上的边界条件必须与问题描述相的一致。（举例，如果问题中着重考虑的是由导热材料构建的主板，如果求解域的边界切到主板那么这样这是不合理的，因为这将导致从芯片到主板产生一个错误的热流） 在这个项目中我们定义以下的求解域边界来满足以上所提及的各项要求。点击 Flow Analysis， Computational Domain 按如下所示调整求解域的大小。 X min = -2.95 in (完全位于侧面铝制机壳的内部， 因为在芯片和机壳之间有一热绝缘的主板以及空气流动，所以这个材料不会影响主芯片的温度，由于所有固体初始条件温度定义68.09 °F，所以它的边界温度也会自动的被定义为这一值)。 X max = 0.7 in (在这一边界上流体区域的边界条件由第一阶段的计算结果转移而来，在电子设备铝机壳中的上部边界与 X min = -2.95 in 处一样会得到自动的定义，此外位于主板上的下部边界条件与 Z min = -1 in 处一样会得到自动的定义)。 Y min = -1 in， Y max = 4 in (在这个边界处的边界条件和同样位于铝机壳面内的 X max = 0.7 in 一样得到定义)。 Z min = -1.1 in (完全的被定义在绝热的主板内部， 因此绝热的壁面条件被自动定义在这一边界上)。 Z max = 1.2 in (完全位于电子设备上部机壳的内部，因此与 X min = -2.95 in的边界条件相同， 在这一边界上会得到自动定义)。 EFD.Lab 8 教程 8－10 第八章 EFD Zooming 应用 减小之后的求解域 边界条件： 首先，我们定义转移边界条件。 1. 点击 Flow Analysis， Insert， Transferred Boundary Condition。 2. 增加 X max， Y max 和 Y min Computational Domain boundaries 到 Boundaries to apply the transferred boundary condition 列表。 增加边界， 选择它并且点击 Add，或者双击边界。 3. 点击 Next。 4. 在 Step 2，点击 Browse 选择EFD.Lab项目，它的结果将被用于当前Zoom-SinkNo1-L4 项目的边界条件。 你可以选择任何当前打开的计算项目模型，或者浏览结果(.fld)文件。 5. 在 Browse for Project 对话框选择 Zoom-Global-L4 例子并且点击 OK。 6. 点击 Next。 EFD.Lab 8 教程 8－11 第八章 EFD Zooming 应用 7. 在 Step 3，接受 Ambient 作为 Boundary condition type。 环境边界条件由边界处与流体接触部分定义（利用先前计算的结果）的流动参数组成，所以它们作为外部分析的环境条件时会产生一样的效果。如果固体的导热开启，接着在边界处与流体接触的固体温度被定义（利用前一次的计算结果）。将被作为问题求解结果而获得的边界处热流可能为零。 8. 点击 Finish。 按如下所述定义其它条件： 热源： 在主芯片上5W的体积热源 固体材料： Main Chip 由硅构成 (Pre－Defined/ Silicon)； MotherBoard 和 Enclosure 由绝缘材料构成 (Pre－Defined/Insulator)； 所有的其它零件 (举例：散热器) 由铝构成； EFD.Lab 8 教程 8－12 第八章 EFD Zooming 应用 目标: 将主芯片和散热器的最大和平均温度定义为体积目标。 运行计算。 运行计算所获得的结果在下图和下表中所示。这些结果都是基于 No.1形的散热器。 如果你观察计算网格，你可能会发现每一个散热器通道内有两个网格，每一个散热片也有两个网格。 No.1 形散热器在 Y=-0.3 in的切平面网格 事实上，Minimum gap size 和 Minimum wall thickness 影响同一个参数，这个参数称之为特征网格尺寸。默认情况下，EFD.Lab 生成基础网格为了在每一个定义的 Minimum gap size 处至少有两个网格。每个 Minimum gap size 的数目随着 Level of initial mesh 非线性变化，并且不能少于两个网格。此外， Minimum wall thickness 促使 EFD.Lab 在每一个定义的 Minimum wall thickness （不考虑定义的初始化网格等级）处，创建有两个基础网格(两个网格足够求解一个壁面) 。 那就是为什么，只要 Minimum wall thickness 大于等于Minimum gap size，这个 Minimum wall thickness就不会影响生成的网格。 EFD.Lab 8 教程 8－13 第八章 EFD Zooming 应用 改变散热器: 现在我们来看一下使用 No. 2 形散热器所引起的结果改变。首先，我们改变散热器的定义为 No.2 形式，但是所有的 EFD Zooming EFD.Lab 项目第二阶段的设置得到保留。因为我们可以在这个项目中使用先前计算结果，所以不需要对 EFD 缩放的第一阶段再次求解。 为这个新模型定义类似的 EFD.Lab 项目最快捷的方法是复制先前存在的项目到这个定义。 复制项目到现有的定义： 1. 点击 Flow Analysis， Project， Clone Project。 2. 点击 Add to existing。 3. 在 Existing configuration 列表选择Zoom-SinkNo2-L4。 点击 OK。 在点击 OK 之后，两个警告信息出现，询问你是否要重新设置求解域和生成网格。选择 No 来放弃改变计算域的大小， 选择 Yes 来重新生成网格。 现在你可以开始计算。 所得到的结果如下表格和图片所示。很明显使用 NO2 形散热器的主芯片温度被减少了大约 15 °F。引起这种效果的原因是散热器翅片面积的增加和在散热器翅片狭长通道中流线型流动 (在 No.1 形散热器中大约有一半的通道是被逆流漩涡所占据的)。 EFD.Lab 8 教程 8－14 第八章 EFD Zooming 应用 局部初始网格方法 为了验证使用 EFD Zooming 方法所获得的结果，现在我们使用 Local Initial Mesh 选项来求解相同的问题。使用这一选项，我们在模型中增加一个包含主芯片的平行六面体并且在 Component Control 控制对话框中将其关闭。这个体积代表了一个流动区域，在这一区域我们可以使用 Local Initial Mesh 选项定义与计算域内其它地方不同的网格设置。 通过增加一个应用 Local Initial Mesh 零件后的电子设备结构 使用 Local Initial Mesh 方法的 EFD.Lab Project (Sink No1) 为了创建项目我们复制 Zoom-SinkNo1-L4 到现有的 LocalMesh-SinkNo1-N2 结构，但与先前的复制不同，我们重新设置计算域的大小为默认尺寸，以便这个计算域包含整个模型。 激活 Zoom-SinkNo1-L4 例子。打开 Clone Project 对话框， 点击 Add to Existing ， 并且在 Existing configuration 列表 选择 LocalMesh-SinkNo1-N2。 在点击 OK 之后，对出现的信息按 Yes。 EFD.Lab 8 教程 8－15 第八章 EFD Zooming 应用 边界条件： 首先去除内部所含的转移边界条件。右击模型树中的 Transferred Boundary Condition1 项并且选择 Delete。 下一步，使用 Copy Feature 工具从 Zoom-Global-L4 复制边界条件。 1. 激活 Zoom-Global-L4 例子。 2. 点击 Flow Analysis， Tools， Copy Features。Copy Features 对话框出现。 3. 按住 Ctrl 键并且在 EFD.Lab 分析树中选择 Environment Pressure1 和 External Inlet Fan1 项。这些特征将出现在 Features to copy 列表。 4. 选择 LocalMesh－SinkNo1－N2 作为 Target Project。 5. 点击 OK 。 6. 激活 LocalMesh-SinkNo1-N2 例子。 热源： 目前在主芯片上已经有 5W的体积热源存在，对于小芯片增加 5W 热功率。 固体材料: 以下定义的材料从先前项目中保留下来，所以你不需要再次创建它们，但是你需要去编辑 Silicon Solid Material 1 包含小芯片并且编辑 Insulator Solid Material 1 包含进出口盖。 Main Chip 和Small chips由硅构成（Silicon）； MotherBoard，Enclosure，Inlet Lid 和Outlet Lids 是由绝缘体构成（Insulator）； EFD.Lab 8 教程 8－16 第八章 EFD Zooming 应用 PCB1 和 PCB2 是由环氧树脂构成（User Defined，Epoxy）。 其它所有的部分都是由铝构成。 EFD.Lab 8 教程 8－17 第八章 EFD Zooming 应用 目标: 保持主芯片和散热器的平均和最大温度的体积目标。 初始网格等级； 点击 Flow Analysis， Initial Mesh 调整自动初始化网格设置。 设置 Level of initial mesh 为 3。因为固体内部开启了导热，设置 Level of initial mesh 为 4 将产生大量的网格。为了减少这个例子的计算时间，我们将 Level of initial mesh 减小为 3. 注意 Result resolution level 仍旧为4 ，因为它是在向导中定义的。想要看 result resolution level 的值，可以点击 Flow Analysis， Calculation Control Options，之后点击 Reset。关闭 Reset 对话框，点击 Cancel。 点击 Flow Analysis，Project，Rebuild。 定义局部初始网格设置： 对某个区域应用局部网格设置，我们需要用一个元件来替代这个区域，同时这个元件要在Component Control 对话框中进行关闭。 1. 点击 Flow Analysis， Insert， Local Initial Mesh。 2. 在特性管理设计树中选择 LocalMesh 元件。 3. 勾选 Disable solid components。 4. 清除勾选 Automatic settings。 5. 在 Narrow Channels 页，设置 Characteristic number of cells across a narrow channel = 2 和 Narrow channels refinement level = 4。 6. 点击 OK。 EFD.Lab 8 教程 8－18 第八章 EFD Zooming 应用 Narrow Channel 项是相当方便的并且用于在垂直于固体/流动分界面方向上模型流动通道的定义。除非你在 EFD.Lab中使用 Enable the minimum height of narrow channels 和 Enable the maximum height of narrow channels 选项定义忽略通道的高度，否则这个精练过程被应用到计算域内的所有通道。 Characteristic number of cells across a narrow channel (记做 Nc) 和 Narrow channels refinement level (记做 L) 都以以下的方式影响狭长通道内的网格:狭长通道内的基础网格将按每个通道的 Nc 数来定义，假设最终的网格满足 L 的定义。换而言之，无论 Nc 被定义为多少，狭长通道内的网格不能小于基础网格的 8L 倍（ 在每一个全局流动方向上为2L )。这可以避免在特别细小的通道内产生不必要的网格。 在我们的例子中，确保每个标准通道中有两个网格，我们改变 Narrow channels refinement level 为 4。 我们对重点考虑的两个散热器完成这些设置。 使用 Local Initial Mesh 方法的 EFD.Lab Project (Sink No2) 复制激活的 LocalMesh-SinkNo1-N2到存在的 LocalMesh-SinkNo2-N2例子。同时Yes确认重新生成网格的信息。 使用 Batch Run 计算项目。 结果 下表显示了两种散热器计算所获得计算的结果与利用 EFD Zooming 方法所获得的结果进行比较。可以清楚的看到利用局部网格设置所获的计算结果几乎等于 EFD Zooming 所获的结果，因此证明了 EFD Zooming 方法是确实可信的。 EFD.Lab 8 教程 8－19 第八章 EFD Zooming 应用 使用不同散热器时，芯片和散热其的最大和平均温度。 EFD.Lab 8 教程 8－20 第九章 纺织机械 纺织机械 问题描述 这个例子中所用的简单纺织机械以一个具有狭长入口管和圆柱定子的封闭空心圆柱体来描述。一个薄壁圆锥体高速旋转。空气在离开出口管子之前流经旋转的圆锥体。由于切向应力，这个旋转的圆锥体使空气形成漩涡。旋转空气运动确定纱线织物的结构方向。 在这个例子中的空心圆柱尺寸如下：内径为 32 mm ，内部高度为 20 mm。空气以 0.0002026 kg/s 质量流量被注射入直径为 1 mm 的入口管。这个圆锥体的厚度为 1 mm 并且这个圆锥体的边被放置在距离主圆柱体的 3 mm 处。这个圆锥体以 130000 RPM 的速度旋转。圆柱体出口管外部的压力被定义为 96325 Pa。 EFD.Lab 分析空气流动时不考虑任何纤维粒子。假设纤维粒子对空气流动的影响被忽略。将小颗粒的聚苯乙烯粒子射入到空气流中，通过后处理的 Flow Trajectory 能够研究空气流动对织物的影响。40 m/s 空气切向速度被定义为初始条件以加速收敛和减少求解问题的计算时间。 EFD.Lab 8 教程 9－1 第九章 纺织机械 模型定义 复制 Tutorial Advanced 2 - Rotating Walls 文件夹到你的工作目录，此外由于 EFD.Lab 在运行时会对其输入的数据进行存储，所以必须确保文件处于非只读状态。打开 Textile Machine.SLDASM 组件。 EFD.Lab 8 教程 9－2 第九章 纺织机械 项目定义 按如下所示使用 Wizard 创建一个新项目； Project name Unit system Analysis type Physical features Fluid Wall Conditions Initial Conditions Result and Geometry Resolution Create new: 130000RPM SI; select mm (Millimeter) for Length and RPM (Rotations Per Minute) for Angular Velocity Internal; Exclude cavities without flow conditions No physical features are selected Air Adiabatic wall， default smooth walls Default conditions Result resolution level set to 4; Minimum gap size = 1 mm， automatic minimum wall thickness， other options are default 边界条件 按如下所示定义进出口边界条件： EFD.Lab 8 教程 9－3 第九章 纺织机械 定义旋转壁面 1. 在 EFD.Lab 分析树中，右击Boundary Conditions 图标并且选择 Insert Boundary Condition。 2. 选择 Wall Wall。 3. 在特性管理设计树中选择 ROTOR 元件。所有的转动面被选择。然而，计算域外部的顶面必须要剔除。 4. 点击 Filter Faces computational domain 5. 点击 Filter。 6. 选择 Wall Motion。 7. 定义 Angular velocity 8. 选择 Y 作为旋转 Axis。 9. 点击 OK EFD.Lab 8 教程 9－4 ，然后 Real 。选择 Remove faces out of 。 为130000 RPM。 并且重命名 Real Wall 1项为 Rotating Wall = 130 000 rpm。 第九章 纺织机械 初始条件－旋转 为加速收敛，在机架内空气的初始条件定义为切向速度 40 m/s。Initial Velocity 1 和Initial Velocity 2 辅助元件被用于定义一个流体区域。 1. 点击 Flow Analysis，Insert，Initial Condition。 2. 在特性管理设计树中选择 Initial Velocity 1 和Initial Velocity 2 元件。 3. 点击 Disable solid components 选项。 EFD.Lab 将这些元件看成具有默认流体初始条件的流体区域。 4. 在 Reference axis 列表选择 Y。 5. 在 Flow Parameters下，点击 Velocity in X direction 项右侧的 Dependency。Dependency对话框出现。 6. 在 Dependency type 列表，选择Formula Definition。 7. 在 Formula 框，输入定义在X方向上的速度公式: 40*cos(phi) 这里 phi 如下图所示的极角。 8. 点击 OK。返回到 Initial Condition 对话框。 9. 点击 Velocity in Z direction 项右侧的 Dependency，并且为Z方向速度分量定义公式为：-40*sin(phi)。 10. 点击 OK。 EFD.Lab 8 教程 9－5 第九章 纺织机械 11. 在 Thermodynamic Parameters 下点击 Pressure 输入 99800 Pa。 12. 点击 OK 。 并且 13. 通过不连续双击将 Initial Condition1 项重命名为 vel = 40 m\\s。 定义目标 因为这个旋转的锥形体使空气形成漩涡，将空气的流速定义为目标是合理的，因为这样可以确保速度收敛时计算停止。此外，我们在入口处定义静压为表面目标，在出口处定义质量流量为表面目标作为附加的计算收敛标准。 定义如下的项目目标: GOAL TYPE GOAL VALUE FACE/COMPONENT Global Goal Surface Goal Average Velocity Mass Flow Rate Outlet face (click the outlet static pressure boundary condition item to select the outlet face) Surface Goal Average Static Pressure Inlet face (click the inlet mass flow rate boundary condition item to select the inlet face) Volume Goal Average Velocity Initial Velocity 1 (select the component in the Flyout FeatureManager Design Tree) Volume Goal Average Velocity Initial Velocity 2 (select the component in the Flyout FeatureManager Design Tree) 进行计算。 EFD.Lab 8 教程 9－6 第九章 纺织机械 结果 – 光滑壁面 计算所得的流场和流场内Y方向速度分量如下图Z = 0 (XY 截面)所示。可以清楚的看到最大流速出现在入口管和锥形体边缘的内表面附近。 流速 Y方向速度分量 在接近旋转圆锥体的内部和外表面上的垂直 (也就是沿着 Y 轴)速度直接向着圆柱底部。此外，在旋转圆锥体和圆柱体底部之间缝隙处的速度分量接近为零，并且在圆柱面附近是正的(也就是朝着顶部)。由于旋转圆锥体下部边缘和圆柱体底部之间区域的速度很小，空气进入这一区域时所携带进入的小颗粒无法离开。另一方面，进入这一区域大的颗粒可能从圆柱体底部壁面弹起(在这个例子中是理想化的，也就是所有的反弹都被考虑)并且返回到高垂直速度的区域。之后它们被沿着圆柱面的空气携带到圆柱的顶部壁面，最后残留在这一区域的漩涡中。 EFD.Lab 8 教程 9－7 第九章 纺织机械 显示粒子流和流动迹线 1. 在 EFD.Lab 分析树中，右击 Flow Trajectories 图标并且选择 Insert。 2. 在分析树中点击入口边界条件图标 (Inlet Mass Flow = 0.0002026) 选择粒子被射入的那个入口面。 3. 设置 Number of trajectories 为 10 并且选择 Forward 方向。 4. 在 Settings 页，选择 draw trajectories 为 Line with Arrow。 5. 增加迹线的 Maximum length 为 15000 mm。 Maximum length 选项根据定义的值了迹线的长度。我们可以增加这个值来更好的显示流动漩涡状态。 6. 点击 OK 显示流动迹线。 为了显示粒子迹线，我们需要定义初始的粒子特性 (温度，流速和直径)，粒子的材料，和壁面条件 (吸收或者反射) ，可选重力效应。 EFD.Lab 8 教程 9－8 第九章 纺织机械 1. 在分析树，右击 Particle Studies 图标并且选择 Insert。 2. 在 Injections 页，点击 Insert 定义一个喷射。Injection 对话框出现。 在 Injection 对话框中，你可以将喷射定义为一组相同材料和状态的粒子，诸如速度，直径，温度等。你也可以定义喷射所产生的质量流量。 3. 点击分析树中 inlet boundary condition 图标 (Inlet Mass Flow = 0.0002026) 也就是选择粒子被射入的入口面。 4. 设置 Number of points 为 5。 5. 点击 Settings 页。 6. 双击 Particle Material 右侧 Value的单元格。 7. 在 Solids，Pre-Defined，选择 Polystyrene 作为粒子材料并且点击 OK。 8. 展开 Initial Conditions 项并且对粒子直径 Diameter 输入0.005 。 我们保留默认的相对速度和温度为零，这就意味着粒子的速度和温度等于那些进入的流体。我们还保留了质量流量为默认值，因为它仅仅用于估计冲刷和集聚的质量流量，这些都是我们不要考虑的。 9. 点击 OK 设置喷射并且返回到 Particle Study 对话框。 10. 选择 Injection 1并且点击 Clone。选择 Injection 2，点击 Edit 并且改变粒子的直径为 0.015 mm. 接着点击 OK 返回到 Particle Study 对话框。 11. 点击 Boundary Conditions 页。 12. 点击 Edit 编辑默认情况下应用到所有模型边界的边界条件。 EFD.Lab 8 教程 9－9 第九章 纺织机械 13. 在 Boundary Condition 对话框。选择 Reflection。 14. 保留其它的条件并且点击 OK 返回到Particle Study 对话框。点击 Settings 页。 15. 增加粒子流的 Maximum length 为 15000 mm。 16. 点击 Run 进行计算并且退出 Particle Study 对话框。 17. 在分析树中，右击 Particle Study 1 图标并且选择 View Results。 18. 在 Particle Study Results 对话框， 选择 Injection 1 并且点击 3D-View Options。 19. 选择 draw trajectories 作为 Line with Arrow 并且点击 OK。 20. 选择 Injection 2 并且对 draw trajectories 定义相同的类型。 21. 选择 Injection 1 并且点击 Show 显示粒子流。之后点击 OK 退出 Particle Study Results 对话框。 22. 在分析树中，右击 Injection 2 图标并且选择 Show。 模拟粗糙旋转壁面 在先前的计算中旋转圆锥体的内外表面使用的是零粗糙度。为了研究旋转圆锥体壁面粗糙度的影响，我们要在同样的边界条件下将旋转圆锥体内外表面的粗糙度设为 500 μm 进行求解计算。 通过复制当前的项目创建一个新的定义，并且命名为 130000 rpm-rough wall。 改变壁面粗糙度 1. 右击 Rotating Wall = 130 000 rpm 项并且选择 Edit Definition。 2. 在 Wall parameters下选择 Adjust wall roughness 。 EFD.Lab 8 教程 9－10 第九章 纺织机械 3. 定义壁面粗糙度为500 micrometers。 4. 点击 OK 运行计算。 。 结果 – 粗糙壁面 计算所得到流场和Y方向流速分量的不同截面图如下所示并且显示了在垂直速度流的方向上几乎没有明显的变化。因此，这些粒子的流动迹线几乎与光滑壁面的情况相一致。很明显将粗糙度由 0 增加到 500 m 增加了漩涡流动的切向速度。 流速 Y方向上速度分量 粗糙度 = 0 m 粗糙度 = 500 m EFD.Lab 8 教程 9－11 第九章 纺织机械 光滑壁面 粗糙壁面 光滑壁面 粗糙壁面 光滑壁面 粗糙壁面 EFD.Lab 8 教程 9－12 第十章 圆形通道中的非牛顿流体流动 圆形通道中的非牛顿流体流动 问题描述 现在我们来分析一种非牛顿流体通过矩形截面通道的三维流动，这个通道内嵌入了七个不对称布置的圆柱（具体参见 Ref. 1 ）。按照 Ref. 1 ，我们将含有3％黄原胶的水溶液作为非牛顿流体。它的粘性近似的服从指数关系式K()n1， 此处稠度系数K20Pas ，并且指数 n = 0.2。 此处其它参数 (密度等)是和水一样的 (因为这是水溶液)。 这个问题的目的是确定通道内的总压力损失。也就是为了验证在水中加入了 3% 黄原胶对通道内总压力损失的影响，我们将使用相同的体积流量来对通道内水的流动进行计算。 EFD.Lab 在通道入口处使用均匀的流速分布来进行计算，流体的体积流量为 50 cm3/s。在通道的出口处边界条件定义为静压 1 atm。计算的目标是通道对流动的阻力，也就是说，在通道进出口之间的总压降P0。 n EFD.Lab 8 教程 10－1 第十章 圆形通道中的非牛顿流体流动 模型定义 复制 Tutorial Advanced 3 - Non-Newtonian Flow 文件夹到你的工作目录，此外由于 EFD.Lab 在运行时会对其输入的数据进行存储，所以必须确保文件处于非只读状态。打开 array_of_cylinders.Sldprt 组件。 定义非牛顿流体 1. 点击 Flow Analysis，Tools，Engineering Database。 2. 在 Database tree，选择 Materials， Non-Newtonian Liquids， User Defined。 3. 点击工具栏中的 New Item 格去设置相应的特征值。 4. 按下表定义材料的特性： Name Density Specific heat Thermal conductivity Liquid model Consistency coefficient Power law index 。空白 Item Properties 页出现。双击空白单元XGum 1000 kg/m^3 4000 J/(kg*K) 0.6 W/(m*K) Power law model 20 Pa*sn 0.2 保存并且退出database。 项目定义 按下表使用 Wizard 创建一个新项目： Project name Unit system Analysis type Create new: XGS CGS modified: Pa (Pascal) for the Pressure & Stress Internal; Exclude cavities without flow conditions Physical features Fluid No physical features are selected (default) XGum (non-Newtonian liquids); Flow type: Laminar only (default) EFD.Lab 8 教程 10－2 第十章 圆形通道中的非牛顿流体流动 Wall Conditions Initial Conditions Result and Geometry Resolution Adiabatic wall， default smooth walls， default slip condition Default conditions Default result resolution level 3; Minimum gap size=0.25 cm， no other changes 边界条件 按下表定义边界条件； 定义目标 对进出口定义 Average Total Pressure作为表面目标。 在入口通道和出口通道之间定义 total pressure drop 为方程目标。 EFD.Lab 8 教程 10－3 第十章 圆形通道中的非牛顿流体流动 运行计算。在计算完成之后，创建目标云图从而获得进出口通道间的压降。 很明显进出口通道间的总压降大约为 3995 Pa。 与水进行比较 现在我们来分析相同边界条件下通道内水的流动状况 (相同的体积流量)。 通过复制当前的项目来创建一个新的例子，并且命名为 Water。 改变模型设置 1. 点击 Flow Analysis， General Settings。 2. 在 Navigator 点击 Fluids。 3. 在 Project Fluids 表格，选择 XGum 并且点击 Remove。对出现的警告信息按 OK 进行确认。 4. 选择 Liquids 中的 Water 并且点击Add。 5. 在 Flow Characteristics 下，改变 Flow type 为 Laminar and Turbulent。 6. 点击 OK。 运行计算。在计算完成之后，创建目标云图。 EFD.Lab 8 教程 10－4 第十章 圆形通道中的非牛顿流体流动 正如上表中显示的结果，通道的总压降大约为 66 Pa，也就是含3％黄原胶水溶液的1/60，这是由于在这一问题的流动剪切速率下水的粘度很小。 在 0 to 30 cm/s 范围内 XGS (上)和水的流速分布 Georgiou G.， Momani S.， Crochet M.J.， and Walters K. Newtonian and Non-Newtonian Flow in a Channel Obstructed by an Antisymmetric Array of Cylinders. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics， v.40 (1991)， p.p. 231-260. EFD.Lab 8 教程 10－5 第十一章 具有反射镜和屏幕的加热球 具有反射镜和屏幕的加热球 问题描述 我们对一个直径为 0.075 m 被2KW热源持续加热的球进行分析。这个球向同心布置内径为0.128m的半球形反射器辐射热量，并且通过一个与反射镜形状类似的玻璃罩向一个圆形屏幕辐射热量。这个屏幕半径为0.15m且与反射器中心对齐，距离圆球1m远。除了覆盖的玻璃之外，其它所有物体都是由不锈钢组成。球的表面和面向球的滤光镜表面都是黑体。这个滤光镜的背面是非辐射的。这个教程的目的是分析反射镜和它的发射率是如何影响球和屏幕的温度。为了做到这一点，以下的三个例子需要进行分析： 例子 1: 反射镜的内表面 (也就是对着球的面) 是白体； 例子 2: 反射镜所有表面是黑体； 例子 3: 去除反射镜； 稳态问题进行计算时开启 Heat conduction in solids 选项，以便所有物体内部的导热都得到计算。考虑到自然对流热交换量很小(可以看作整个结构都放在空气相当稀薄的地方) ，所以勾选 Heat conduction in solids only 。由于开启了这个选项，所以我们不需要对这个项目定义流体，而且计算的时候不考虑任何流体的流动，因此节省了计算时间并且了物体之间的热交换形式只能是辐射。物体的初始温度假定为293.2 K。 让我们分析由 EFD.Lab 计算每一种例子所得到的结果。 EFD.Lab 8 教程 11－1 第十一章 具有反射镜和屏幕的加热球 模型定义 复制 Tutorial Advanced 4 - Surface-to-surface Radiation 文件夹到你的工作目录，此外由于 EFD.Lab 在运行时会对其输入的数据进行存储，所以必须确保文件处于非只读状态。打开 Heated Ball Assembly.SLDASM 组件。 EFD.Lab 8 教程 具有反射镜和屏幕的加热球 11－2 第十一章 具有反射镜和屏幕的加热球 例子 1 项目定义: 按下表使用 Wizard 创建一个新的项目； Project name Unit system Analysis type Physical features Create new: CASE1 SI External Heat conduction in solids， Heat conduction in solids only， Radiation， Environment radiation: Environment Temperature = 293.2 K; Default Solid Wall conditions Initial and Ambient Conditions Result and Geometry Resolution Steel，stainless Default wall radiative surface: Non-radiating surface; Default initial solid temperature of 293.2 K Set result resolution level to 3; Automatic minimum gap size， Manual minimum wall thickness - 0.007 m; other options are default. 定义计算域： 按下表定义计算域大小； X min = -0.2 m X max = 1.4 m Y min = -1.6 m Y max = 1.6 m Z min = -1.6 m Z max = 1.6 m EFD.Lab 8 教程 11－3 第十一章 具有反射镜和屏幕的加热球 改变自动网格设置 点击 Flow Analysis， Initial Mesh。 清除 Automatic settings 勾选，从而关闭自动初始化网格设置， 转到 Solid/Fluid Interface 页并且改变 Curvature refinement level 为 5。 点击 OK。 定义辐射表面 按如下步骤定义辐射表面； 1. 点击 Flow Analysis，Insert，Radiative Surface。 2. 展开 Pre-Defined 辐射表面列表，并且选择 Blackbody wall。 3. 选择 Heated Sphere 元件。接着选择 Screen 面向 Heated Sphere 的面。 4. 点击 OK 。 重命名 Radiative Surface 1 项为Blackbody Walls。 点击图形区域的任意地方来放弃选择。 5. 点击 Flow Analysis，Insert，Radiative Surface。 6. 展开 Pre-Defined 辐射表面列表，并且选择Whitebody wall。 7. 选择 Reflector’s 内表面。 8. 点击 OK 。改变新的辐射面名称为 Whitebody Wall。 EFD.Lab 8 教程 11－4 第十一章 具有反射镜和屏幕的加热球 定义对热辐射透明的物体； 定义对辐射透明的玻璃； 1. 点击 Flow Analysis， Radiation Transparent Bodies。 2. 在 Components 列表选择 Glass 元件并且点击 Transparent。 3. 点击 OK。EFD.Lab 现在将这个元件作为对辐射完全透明的物体。 热源和目标定义 定义圆球表面的表面热源的热功耗； 1. 点击 Flow Analysis，Insert，Surface Source。 2. 在特性管理设计树中，选择 Heated Sphere 元件。 3. 选择 Heat Generation Rate 作为热源类型并且设置这个值为2000 W。 在 Heated Sphere’s 表面和 Screen’s 黑体表面定义最大、平均、最小温度为表面目标。除此之外，对 Heated Sphere’s的平均温度定义为体积目标。(自然的，在所有的例子中你应该选择 Temperature of Solid 作为目标参数)。你可以如图方式重新命名目标，使其在计算期间更容易监控。 保存模型并进行计算。 如果你关注目标的收敛，你会发现圆球的温度在计算初期是非常高的。之所以发生这种情况是由于初始的圆球温度 (293.2 K) 太低，以致通过辐射方式获得大量由2000W热源产生的热。为了更好的描述这一点，在第二和第三个例子中我们将要把圆球的初始温度设为 1000 K，因此在计算的初期为圆球提供了大量的热损失。 EFD.Lab 8 教程 11－5 第十一章 具有反射镜和屏幕的加热球 例子 2 与 Case 1 相反，在这个例子中反射镜的内表面是黑体并且反射镜的其它表面也是黑体。 通过复制当前的 CASE1 创建一个新的 CASE2 项目。 改变辐射表面条件 1. 删除 Whitebody Wall 条件。 2. 右击 Blackbody Walls 项并且选择 Edit Definition。 3. 点击特性管理设计树中的 Reflector 项，为了能选择它所有的表面。 4. 点击 OK 。 目标定义 定义 Reflector’s 内外表面的最大、平均、最小温度为表面目标。 定义固体的初始条件 使用 Initial Condition 定义加热的圆球初始温度为 1000 K。 保存模型。 例子 3 与 CASE1 和 CASE2 不同，反射镜在 CASE3 中被去除。 通过复制当前的 CASE2 。来创建新的 CASE3 项目。 1. 编辑定义 Blackbody Walls 条件，删除所有 Reflector’s 面。从 Faces to Apply the Radiative Surface 中删除面，选择需要删除的面并且按 Delete 键。 EFD.Lab 8 教程 11－6 第十一章 具有反射镜和屏幕的加热球 2. 删除与反射镜有关的表面目标。 3. 在 Component Control 对话框中关闭 Reflector 元件。 使用 Batch Run，计算例子2和例子3。 结果 在例子1中，由于反射辐射， 圆球对着反射镜的面比圆球对着屏幕的面更热(参见下图)。因此在例子1中屏幕的温度比其它两个例子高。 在例子2中，从圆球到反射镜的辐射热加热反射镜并且热量从反射镜的外表面辐射进入环境，因此热量从系统中流失。由于通过反射镜辐射回到圆球的热很少，尽管整个圆球上的温度分布与例1相类似，但这个圆球的温度更低。从反射镜到屏幕的热量也很少。因此，这个屏幕的温度比例子1要低。 因为在例子3中去除了反射镜，不存在明显的热辐射返回到圆球。圆球的温度比例子2更低而且圆球温度几乎是相同的(温度差异在1K之内)。因为这个屏幕仅仅从圆球获得辐射热，所以屏幕的温度在所有例子中是最低的。 CASE 1 (左)， CASE 2 (中间) 和 CASE 3 (右) 球温分布（在1200 到 1220 K 范围内） (front plane 平面截面) (反射镜被放置在左侧)。 EFD.Lab 8 教程 11－7 第十一章 具有反射镜和屏幕的加热球 CASE 1 (左)， CASE 2 (中间) 和 CASE 3 (右) 滤光镜温度分布（在295 到 340 K 范围内） (固体表面温度)。 EFD.Lab 8 教程 11－8 第十二章 旋转叶轮 旋转叶轮 问题描述 我们来分析一下空气流经有旋转叶轮（见下图）的离心泵。泵有一固定的轴向入口 (孔)， 这一入口连接有一个半径为 92 mm 的管子。旋转叶轮将入口处的空气吸入，具有楔形导向和后缘的旋转叶轮有七个分开固定厚度的后向叶片。在径向上每一个叶片由叶轮入口 120 mm半径处的 65°翘曲变化到出口 210 mm 半径处的 70°。这些叶片被在具有相同的角速度 2000 rpm的叶轮旋转外壳之间。叶轮下游的空气进入一个平稳（非旋转）的径向扩散。 为了完成问题的描述，我定义如下的进出口边界条件：均匀流速且与泵轴平行的入口空气体积流量为 0.3 m3/s；在出口径向上的静压定义为 1 atm。 EFD.Lab 8 教程 12－1 第十二章 旋转叶轮 模型定义 复制 Tutorial Advanced5 - Rotating Impeller 文件夹到你的工作目录。打开 Pump.SLDASM 组件。 项目定义 按下表使用 Wizard 创建一个新的项目； Project name Unit system Analysis type Physical features Use current :Impeller Efficiency SI Internal; Exclude cavities without flow conditions Rotation: Type - Global rotating， Rotation axis - Z axis of Global Coordinate system， Angular velocity=2000 RPM (209.43951 rad/s) Default fluid Wall Conditions Initial Conditions Result and Geometry Resolution Air Adiabatic wall， default smooth walls Default conditions Set the Result resolution level to 4; Minimum gap size = 0.04 m， minimum wall thickness = 0.01， other options are default EFD.Lab 8 教程 12－2 第十二章 旋转叶轮 边界条件 按如下所示定义进出口边界条件； Relative to rotating frame。当开启 Relative to rotating frame 选项，则假设定义的速度 (马赫数)与旋转参考系(Vr)有如下关系式: VspecifiedVrVabsr 这里，r是距离旋转轴的长度， 是旋转参考系的角速度。如果切向速度分量与开口法线方向垂直，则在旋转参考系（Relative to rotating frame 选项被选择）中定义的质量和体积流量和绝对（非旋转）参考系一样，因此不会影响质量 (体积)流量，也就是说当开口垂直于旋转轴。 Pressure potential。如果你开启了旋转参考系，你可以勾选 Pressure potential。当压力 Pressure potential 被勾选，假设定义的静压等于旋转系压力 (Pr) 并且可以通过以下参数来进行计算:绝对压力，密度，角速度和半径； 1PspecifiedPrPabs2r2 2当 Pressure potential 没有被勾选，假设定义的静压是与绝对参考系有关的 (Pabs) EFD.Lab 8 教程 12－3 第十二章 旋转叶轮 当你定义了一个旋转参考系，除了你设定某一具体的壁面是静止之外，模型中其它所有的壁面假定都是以参考坐标系的角速度旋转。定义一个非旋转壁面，Stator 移动壁面条件可以应用到这个壁面。定义Stator边界条件与绝对坐标系（非旋转）中定义这个壁面速度为零一样。注意定子表面必须与相关的旋转轴保持轴对称。 定义静止壁面 我们将在泵外壳的相应壁面上定义静止边界条件； 为了方便选择所需的表面，通过右击特征管理设计树中元件的名字并且选择 Hide ，来隐藏 Impeller元件。除此之外，也可以在 Tools，Options，System Options，Display/Selection 下关闭 Enable Selection through transparency。 1. 如图所示选择外壳的内表面（不要选择施加了边界条件的内表面，应选择外壳剩下的其余五个内表面，另外也可以通过选择整个Cover，之后利用Boundary Condition 中的Fliter把外表面去掉，最后再去除施加了边界条件的内表面）。 2. 点击 Flow Analysis， Insert， Boundary Condition。 3. 点击 Wall 边界类型。 4. 选择 Stator。 5. 点击 OK并且重命名新 Real Wall 1 并且保持默认的 Real Wall 边界条件为 Stator Walls。 叶轮效率 工程上研究泵感兴趣的是它的效率。对于这个泵的效率 () 可以通过以下公式进行计算； (F.M.White \"Fluid Mechanics\"， 3rd edition， 1994): (PoutletPinlet)Q MEFD.Lab 8 教程 12－4 第十二章 旋转叶轮 此处 Pinlet 泵入口处的静压，Poutlet是叶轮出口处的平均静压 (Pa)，Q是体积流量(m3/s)， 是叶轮的旋转角速度 (rad/s)，M是叶轮的扭矩 (N·m)。为了获得Poutlet， 一个额外的 measure 元件被放置在叶轮的出口处。 measure 仅仅用于压力的测量 (相应的目标将在measure 薄环的内表面上被定义)，因此应将其在 Component Control 对话框中关闭。 1. 点击 Flow Analysis， Component Control。 2. 选择 Measure 项并且点击 Disable。 3. 点击 OK 关闭对话框。 定义项目目标 首先，因为定义了压力和体积流量的边界条件，所以在泵的进出口设置质量流量表面目标很有必要，从而将进出口的质量平衡作为计算收敛的附加标准。 其次，定义计算叶轮效率的目标： 为了避免手动选择所有与空气相接触的叶轮面 (超过150个)我们将使用 Filter Face功能。 EFD.Lab 8 教程 12－5 第十二章 旋转叶轮 1. 通过在几何区域进行选择之外也可以在特性管理设计树中选择 Impeller 元件。 2. 在分析树中右击 Goals 项并且选择 Insert surface goal。所有的叶轮面 (包括我们不需要的) 都出现在 Faces to apply the surface goal 列表中。 3. 点击 Filter Faces faces 并且选择 Remove outer 和 Leave only outer faces and faces 选项。 in contact with fluid 当 faces filter 中有几个选项被选择时，过滤选项将通过合并的方式来排除确定表面，所以同时使用 Remove outer faces 和 Leave only outer faces and faces in contact with fluid 两个选项将会去除所有与流体接触的外表面。 4. 点击 Filter。 按如下方式重命名创建的目标： 最后，定义如下方程目标： 将入口体积流量增加到方程目标表达式，点击分析树中的 Inlet Volume Flow 1 项并且在 Parameter 列表，点击 Volume flow rate normal to face。 保存模型并且进行计算。 EFD.Lab 8 教程 12－6 第十二章 旋转叶轮 结果 速度矢量和静压分布如下图所示。在旋转参考系中显示速度矢量，在 View Settings 中打开 Parameter 列表对话框并且选择 Velocity RRF 参数。之后在 View Settings 对话框的 Vectors 页下，选择 Velocity RRF 参数。 叶轮流动通道流动速度矢量分别在随叶轮的旋转参考系中(左)和在绝对坐标系中(右)的分布 (Z = - 0.02 m，Front plane， vector spacing = 0.02m， arrow size = 0.03m) 在叶轮流动通道的流动静压 EFD.Lab 8 教程 12－7 第十二章 旋转叶轮 对于我们研究的这个泵，其效率为 0.81。 EFD.Lab 8 教程 12－8 第十三章 CPU 冷却器 CPU 冷却器 问题描述 我们来分析一个由铜芯和62个翅片的铝制散热器组成的 CPU 冷却器。8个叶片的风扇产生恒定流量的空气通过散热器。CPU 嵌于PCB 上的插座中。CPU 产生的热量通过铜芯传递到散热器，最后进入到空气中。 利用 EFD.Lab 对问题进行计算，使用局部旋转区域的概念是非常方便的。为了简化问题的描述，我们不考虑CPU和冷却器之间的导热界面层。同时，我们也忽略了CPU通过插座和PCB的导热。 制冷器效率定量的评价是热特性参数CA(TcTA)/PD，此处 Tc 是CPU表面温度， TA 环境空气温度，而PD 是CPU的总设计热耗 (TDP)。 EFD.Lab 8 教程 13－1 第十三章 CPU 冷却器 模型定义 复制 Tutorial Advanced 6 - CPU Cooler 文件夹到你的工作目录。打开 CPU Cooler.SLDASM 组件。 项目定义 按下表使用 Wizard 创建一个新的项目； Project Configuration Unit system Analysis type Use current SI External; Exclude cavities without flow conditions; Exclude internal space Physical features Heat conduction in solids; Rotation: Type - Local region(s) Default fluid Default solid Wall Conditions Initial and Ambient Conditions Gases - Air Insulator Default smooth walls Thermodynamic parameters: Temperature=38°C; Solid parameters: Initial solid temperature=38°C; other conditions are default Result and Geometry Resolution Set the Result resolution level to 5; Minimum gap size = 0.001 m，other options are default 计算域 按下表定义计算域的大小； X min = -0.095 m X max = 0.095 m Y min = 0.0005 m Y max = 0.1123 m Z min = -0.095 m Z max = 0.095 m EFD.Lab 8 教程 13－2 第十三章 CPU 冷却器 旋转区域 当不能使用全局旋转坐标系时，Rotating region 可用于对由非旋转器件环绕的模型旋转元件（风机、搅拌器、推进器等）进行流动的计算。例如，局部旋转区域可用于复杂模型的流体流动分析，这个模型中可以包含以不同速度沿不同轴旋转的元件和计算域有一个非轴对称（与旋转元件有关）的外部固体/流体面。 每一个旋转固体元件被一个轴对称的旋转区域环绕着，这个轴对称旋转区域有它和元件共同的坐标系统。 通过模型附加的元件来对旋转区域进行定义。这个附加的元件必须满足以下要求： 必须把旋转元件完全的包括在内。 必须是轴对称的 (关于旋转元件的旋转轴)。 它与其它流体和固体区域的边界也必须轴对称，因为这个边界被划分成等宽的圆环而且临近流动区域处的流动参数转移为边界条件。 定义不同旋转区域的元件不能交叉。 按如下方式定义旋转区域； 1. 点击 Flow Analysis，Insert，Rotating Region。 2. 在模型树中选择 Rotation Region 元件。注意 Disable solid components 自动的被勾选，从而将旋转区域作为流动区域。 EFD.Lab 8 教程 13－3 第十三章 CPU 冷却器 应用旋转区域的元件必须是一个旋转的物体，而且它的物体的旋转轴必须和区域的旋转轴相一致。这个元件必须在 Component Control 对话框中进行关闭。这个元件的边界可以和固体交叉，然而，所有的这些实体都必须是轴对称的。既然旋转区域边界处的流动也都是轴对称的，所以我们必须在旋转区域和风扇叶片边缘外部之间提供一条合理的缝隙，以便将局部最小化扰动的影响降至最低。由于相同的原因只要可能就应该将旋转区域的边界放在固体边界的内部，而不是将它们置于狭长的流动通道中。此外，当定义旋转区域的外形时，必须对旋转区域边界处假定的流动方向进行考虑。你应该选择这种流动方向尽可能与流动区域边界垂直的旋转区域的外形。下图提供了一个辅助视图，帮助我们观察这个例子中 CPU 制冷器的实际外形适合采用何种旋转区域外形。(旋转区域边界以红色线条表示)。 EFD.Lab 8 教程 13－4 第十三章 CPU 冷却器 3. 在 Parameter下的 Angular Velocity 框，定义角旋转速度为 -4400 RPM。 在定义旋转区域期间，可以在图形区域看到表示旋转轴和旋转速度的正方向深绿色箭头。因为我们想定义箭头的反方向为旋转方向，所以我们将角速度定义为负值。 4. 点击 OK 。 当定义旋转区域时，除了你设定的某一个具体壁面是静止之外，假设这个旋转区域中所有模型壁面都具有与旋转区域相同的角速度。 定义一个非旋转壁面，Stator moving wall boundary condition 可以被应用到这个壁面上。 定义 stator boundary condition 和绝对（非旋转）坐标系中定义壁面速度为零一样。注意这个 stator 面必须关于旋转轴轴对称。 定义静止壁面 我们将在风机的安装架和安装夹的适当壁面处定义静止边界条件。为了方便选择需要的面，隐藏 Fan 和 Rotation Region 元件。 1. 点击 Flow Analysis，Insert，Boundary Condition。 2. 点击 Wall 并且保持 Real Wall 边界类型。 EFD.Lab 8 教程 13－5 第十三章 CPU 冷却器 3. 如图所示选择 Attach Clip 的两个内部圆形侧面和两个顶面。 4. 在特性管理设计树中选择 Fan Attach元件。 Fan Attach 元件具有相对更为复杂的几何外形，所以更适合通过选择整个元件再进行面的过滤，而不是手动选择我们需要的面。 5. 点击 Filter Faces 并且选择 Remove outer faces 选项。 和Leave only outer faces and faces in contact with fluid 因为我们已经在 Wizard 定义了 Exclude internal space 选项，与 Fan Attach 和 Copper Core 之间空腔接触的面被作为外表面。因此我们需要在 Filter Faces中勾选 Remove outer faces 选项来剔除它们。 6. 点击 Filter。 7. 选择Stator。 8. 点击 OK 。 固体材料 如下所示定义项目中的固体材料； CPU 和 Heat Sink 由Aluminum构成 (Pre-Defined/Metals)； Copper Core由copper构成 (Pre-Defined/Metals)； 其它所有的零件默认都是绝缘的； 热源 定义 CPU 元件的体积发热率为 75 W。 EFD.Lab 8 教程 13－6 第十三章 CPU 冷却器 初始网格设置 为了更好的对复杂几何外形的风机和散热器进行求解，让我们定义六个辅助控制平面并且为它们之间的间隔定义合适的 Ratio，从而使包含复杂几何模型的中心区域网格较密，而接近计算域边界的网格较为粗糙。 1. 点击 Flow Analysis，Initial Mesh。 2. 清除 Automatic settings 勾选。 3. 在 Basic Mesh 页，在 Control Intervals 下或选择0m （ X1的 Max单元格或者 X2 的Min单元格），并且点击 Delete plane。 4. 点击 Add plane。在 Create Control Planes 窗口确定 Creating mode 设置为 Click on screen 并且 Parallel to 设置为 YZ，点击几何区域的任何地方并且手动输入 -0.05 作为 X 的新值。点击 OK 返回到 Initial Mesh 窗口。 5. 按以上步骤，在 X = 0.05 再增加一个面。 默认情况下，EFD.Lab 在计算域边界处，创建六个控制平面，另外在计算域内也有大量的控制平面。现在我们通过剔除计算域内的默认平面和增加新平面来调整控制平面的设置，从而满足我们的需要。 6. 点击 X1 行的 Ratio 单元格并且输入 2。用相同的方法分别对 X2 和 X3 单元格输入 1 和 -2 。 Ratio 是给定间隔上网格尺寸的比值。这个网格的大小沿着所选择的方向逐步的改变，所以间隔第一个和最后一个的比值是接近（并不完全相等） Ratio 中输入的值。负的 Ratio 值会相应的造成网格按反方向增加。 EFD.Lab 8 教程 13－7 第十三章 CPU 冷却器 7. 删除与 Y 垂直的现有内部控制平面在 Y = 0.042 m 和 Y = 0.047 m处增加新的平面。对 Y1，Y2 和 Y3 单元格Ratio 值分别定义为 1.5，1 和 -1.4。 8. 删除与 Z 垂直的现有内部控制平面在 Z = -0.05 m 和 Z = 0.05 m 处增加新的平面。对 Z1，Z2 和 Z3单元格 Ratio 值分别定义为2，1 和 -2。 9. 检查 Numbers of cells per X，Y 和 Z 分别是 26，12 和 26。如果数值不同，手动进行修改。 10. 为了避免在散热器的边缘产生不必要的网格，到 Solid/fluid Interface 页并且设置 Small solid features refinement level 为 3，Tolerance refinement level 为 2，和 Tolerance refinement criterion 为 0.001 m，保持其余选项都默认。 11. 到 Narrow Channels 页 并且设置 Characteristic number of cells across a narrow channel 为 4 和Narrow channels refinement level 为 1，保持其余选项都默认。这会避免在散热器翅片间狭长通道上产生不必要的网格。 12. 点击 OK。 EFD.Lab 8 教程 13－8 第十三章 CPU 冷却器 定义项目目标 将 CPU 表面最大温度和进出旋转区域的质量流量定义为表面目标。选择需要的表面时，你可能要临时隐藏一些其它的元件。 计算热特性参数时我们需要CPU表面中心的最大温度。为获得更为精确的变量值我们要定义一个的点目标。 1. 点击 Flow Analysis，Insert，Point Goals。 2. 点击 Point Coordinates 。 3. 输入点的坐标为：X = 0 m，Y = 0.009675 m，Z = 0 m。 EFD.Lab 8 教程 13－9 第十三章 CPU 冷却器 4. 点击 Add Point 。 5. 在 Parameter 表格在Temperature of solid 行勾选择 Value 。 6. 点击 OK 。 保存模型并进行计算 EFD.Lab 8 教程 －10 13第十三章 CPU 冷却器 结果 使用目标云图工具获得 CPU 表面中心的温度值。 现在我们可以计算散热器的热特性参数：CA(TcTA)/PD(329.6311.15)/750.25CW/ ，CPU 制冷器的第二个重要的热特性是PCB上方的气流流速。我们可以通过 Front 和 Right 处的切面云图评价这个参数和温度分布（参见下图）。 温度场和速度矢量分布 (Right plane，no offset，vector spacing = 0.003 m， uniform plot，projected vectors，arrow size = 0.015 m) 温度场和速度矢量的分布 (Front plane， no offset，vector spacing = 0.003 m， uniform plot， projected vectors，arrow size = 0.015 m) EFD.Lab 8 教程 13－11 第十三章 CPU 冷却器 轮廓线形式的速度矢量分布 (Front plane，no offset) 轮廓线形式的速度矢量分布 (Right plane，no offset) EFD.Lab 8 教程 13－12 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容
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