SOLIDWORKS Flow Simulation应用案例

现代产品设计应用3D数字化技术正在逐步走向深入，采用计算机技术实现3D建模实现了产品的外观设计和工程出图，增强了设计的可视化和直观性。然而，更多的企业并不满足，正在从外观和功能转向产品的内质设计。这一点其实并不奇怪，产品设计并不只是产品的3D模型，而是产品的3D数学建模；不是外观，而是实现功能的性能。这里我们以SOLIDWORKS Flow Simulation应用为例，展现了流体仿真模拟是如何帮助您解决最棘手的设计难题的方法。

图1 热交换器
设计图1所示的热交换器是一个完美展现了SOLIDWORKS Flow Simulation软件双域（two domains）分析能力的应用案例。这个二相热交换器有一个水的内部域，以及外部空气域，这个外部域采用预先设定的速度矢量方向来添加强制对流的条件（convection）。通过传导与对流的协同作用，Flow Simulation将精准计算出换热器的冷却效能。

计算结果表明，通过一个固体表面传导的冷却量（如图2）和水的内部温度（如图1）。通过热通量图（heat flux plot）直观呈现了固体物体与水区域之间的热量传递过程。这个案例对比分析了固体物体、水区域及外部空气的传热差异。正如预期，靠近进口和出口的冷却板在向外部空气散热时会略微增加热量损耗，因为当流体进入冷却板阵列时温度较高。

图2 热交换器固体表面传导

我们还可以研究温度的变化，在一个瞬态研究中来实时观察计算结果。这使得设计人员能够回答，系统达到一个稳态需要多长时间？并显示流场的发展。
瞬态解还允许用户跟踪随时间变化的数据。在图3 中有一个XY图显示了冷却趋势以及它如何快速地过渡到出口处的稳定温度。在设计迭代过程中，可以很容易地确定不同水流速率或外部空气速度的影响。通过SOLIDWORKS模型直接集成，让设计者理解在热交换器阵列中添加更多冷却板的影响也是非常容易实现的。


图3 热交换器的瞬态研究

SOLIDWORKS Flow Simulation可以处理各种管道系统中的内部流动，包括阀门、歧管、泵、叶轮等。软件可以处理任何输送流体的系统，在化工、食品机械、水系统、输油管道等工业产品设计中非常有用。这里我们只是设计了一个简单场景，计算通过一个阀门的流动，如图4所示。

图4 阀门的设计研究
由于阀门仅略微打开，从图5可以看到，在小开口周围明显观察到更高的流速，而且如预期的那样，阀门后面的流动变得严重停滞（very stagnant）。
流体模拟还能进行参数化研究。这些强大的场景构建工具让用户能够开展各种情况下的研究、针对单一目标进行优化，甚至设计大规模实验方案。每种参数化研究都支持基于一套变量的迭代设计，设置的变量可以是设计尺寸、压力、流速等数值参数。我们将通过迭代阀门研究来观察逐步调节阀门开启程度的效果，具体方法是通过调整控制阀门位置的配合距离。实验结果表明，当阀门开启一定尺寸时，入口处开始出现压力积聚。若继续扩大阀门开口，对入口压力的影响将微乎其微。

图5 阀门的流动分析
SOLIDWOKS与其他仿真软件的最大区别是更加关注设计，并致力于将仿真技术搬到工程师的桌面。在产品的研发中，如果研发的工程师随手可以进行产品的性能分析，这将缩短设计工程师与仿真工程师的沟通过程，避免理解上的错误，缩短研发速度，这意味着企业的研发成本降低。