一、简介

运用数值方法解决工程问题已经被各行各业广泛应用。在进行热和流体数值仿真耦合分析时，首先需要将实际问题提炼为热和流体力学问题，其次结合Simdroid对该热和流体耦合问题进行仿真求解，最后结合得到的数值结果反向了解问题和解决问题。在这个过程中，如何高效地运用仿真工具，将热和流体耦合问题对应的仿真模型合理的建立起来并求解出来，对指导工程问题的解决至关重要。

水杯是非常经典的热和流体耦合问题，空气作为流体，水杯作为热源，我们可以通过建立个水杯和空气模型，模拟水杯周围的流体速度和温度情况，从而得到结果;同时我们可以调节温度和水杯的尺寸来研究不同的情况。下面进行在Simdroid中建立水杯和空气模型进行热和流体耦合分析，并且分享一点我的经验。

二、模型

建立一个正方形空气域和一个杯子，空气包裹着水杯，注意空气域需要减去水杯部分。

杯子和空气模型

三、材料属性设置

杯子的材料使用“创建材料”，可以自由选择需要的物理参数，空气采用理想气体，可以直接使用“从库添加”，具体如下：

四、网格剖分

（1）气体网格域

对气体模型进行边界条件命名，外围墙体命名wall,与水杯接触的面是interface。将interface的面使用“面控制”进行加密，然后执行非结构网格划分，这样的网格更有利于捕捉水杯周围的流场细节。

空气域网格图

（2）水杯网格域

部分面使用“面控制”加密，然后单体剖分。其剖分结果如图：

水杯网格图

五、多场分析

1.瞬态单相分析

(1)流动分析

创建流动分析，选择瞬态单相流分析。

流、热接触面温度类型设置

初始场的设置：压力是101325Pa，温度298K。

操作条件设置：给其-9.8m/s^2的重力加速度，这样流体内有温度差时，就可以通过重力驱动产生流动。

计算控制设置如下：

耦合边界：选择interface面。

（2）热分析（固体分析）

水杯初始温度373K。

耦合边界：选择与空气接触的面。

瞬态分析设置（与流体分析一致）：

添加耦合求解域，默认“同步求解”，如图所示；

时间步0.01s,最大时间1s（与流体分析一致）。

2.稳态单相分析

与瞬态单相分析的操作流程差不多，不过稳态仿真与时间项无关，所以需要设置计算迭代步数，也要注意耦合步设置与流体分析一致。

六、结果展示

1.瞬态结果展示

速度切片：

瞬态某一时刻速度场切片图

温度切片：

瞬态某一时刻温度场切片图

2.稳态结果展示

温度场切片图

速度场切片图

通过Simdroid进行瞬态和稳态分析，了解水杯周围的空气流动速度和温度分布及流线情况,可以看到水杯周围的气体由于温度提高，在重力驱动下产生了向上的流动。

七、结论

Simdroid软件能够实现热和流体耦合仿真，并且可以通过改变水杯的材料、温度以及尺寸来模拟不同情况下仿真，为水杯的设计提供非常大的帮助，有利于水杯实现低成本、短周期的研发目标，这对提升产品设计开发能力和市场竞争力具有重要意义。

八、心得体会

在学习和制作APP过程中，我体会最深的一点：除了寻求有经验的老师的技术指导外，一定要重视使用软件的学习中心、开发者专栏以及问题与解答功能，这也是我刚学习Simdroid时遇到困难的解决方法。

本次完成热和流体耦合模拟的过程中，遇到了很多的问题，有的是询问老师帮忙，有的是看Simapps网站上的视频，在这里感谢云道智造老师们的支持。经历过这次热和流体耦合案例制作后，使我对Simdroid软件的了解更加得深入，特别在热和流体耦合领域，对我接下来App的制作有很大帮助。