使用MATLAB做传热学分析及后处理——CFDTool 官方例程

 

目录

 

前言

1、环境配置

2、问题背景

3、传热学例程 heat_transfer3

最后：中国加油、武汉加油！！！

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前言

        cfdtool （官网：https://www.cfdtool.com/）是一个MATLAB的扩展工具箱，既然看到这个CFD问题了，大家都知道CFD是做什么的了。而在MATLAB里，计算偏微分方程以前都是代码。我也是因为课题要求，电脑又有限制，装不了Ansys，所以就来搞matlab 的了。这里我也是才入门，所以就记一次学习笔记，大家互相学习。

说明：（1）适应版本：MATLAB R2009 及以上；

（2）下载地址：https://github.com/precise-simulation/cfdtool  我就不赚大家的积分了，大家下这种东西就尽量去Github上先找找，别再被CSDN的一些博主 pian（4） 积分了。

（3）目前只支持 1D ,2D 的，3D 的话大家还是用其他软件吧，或者不嫌麻烦就代码走起。

（4）这是扩展的工具包，并不是内置的，所以别直接运行命令来开启软件了。

1、环境配置

Github上直接下载 zip 就行，然后解压到你的 MATLAB 工作目录下面，这是一个比较重要的问题。我见过有些用了MATLAB很久的同学也会搞错这个东西，MATLAB如果不做修改，启动的时候一般工作目录在软件安装目录那里，你可以切换到你自己的工作目录，或者设置它的搜索目录，这样你运行 cfdtool 这个命令时才不会报错。

命令行里面输入：

>> cfdtool      % 启动当前目录下的cfdtool

 一般来说会需要你等一会，然后会弹出cfdtool 的窗口，要记得 Accept 那个界面。

2、问题背景

        其实背景我也不知道什么，做完例程自己简单总结一下：现在有一块合金板，形状如下图所示，给定合金板的尺寸参数，底板材质为钢，其密度、热容、导热系数均为已知，合金板为金属钨，其各项参数也均为已知，环境温度17摄氏度。先对金属钨顶端加热，仿真出合金板16秒内的温度情况。

3、传热学例程 heat_transfer3

例程目录：**/cfdtool-master/tutorials/03_Heat_Transfer/heat_transfer3

计算过程如下（前面有一丢丢没录到，抱歉）：

步骤：

（1）点击 New Model 按钮，或者点击 File->New model... 来创建一个新的模型。

（2）根据自己的情况选择计算的维度，这里选择 2D。

（3）点击 OK 完成物理模式的选择。

（4）我们要想得到需要的形状，就要通过裁剪和添加的方式完成。首先创建一个矩形，点击 Create square/rectangle 按钮，然后点击主绘图窗口，按住鼠标左键。移动鼠标指针绘制形状，松开鼠标左键完成最终的形状。这里得到一个矩形。

（5）在几何对象选择列表框（Selection）中选择R1（单击选中，选中会变色）。 

（6）要修改和编辑所选矩形，请单击Inspect/edit selected geometry object 按钮来打开图形属性的对话框（双击区域也可以打开编辑界面，但是有个小坑，就是不要选中后再双击，而是直接双击需要编辑的区域）。

（7）在 x_min 中输入 0。

（8）在 x_max 中输入0.11。

（9）在 y_min 中输入0。

（10）在 y_max 中输入 0.12。

（11）点击 OK 按钮完成并关闭对话框。

（12）要创建一个圆或椭圆，首先单击 Create circle/ellipse 工具按钮。 然后左键在主绘图轴窗口中单击，然后按住鼠标按钮。 移动鼠标指针绘制形状。然后释放按钮以最终确定形状（随便在一个位置绘制即可，大小也随意，因为后面会修改设置）。

（13）在几何对象选择列表框中选择 E1。

（14）为了能够修改和编辑椭圆，点击 Inspect/edit selected geometry object 工具按钮打开 Edit Geometry Object 对话框。

（15）在 center 处输入 0.065 0  （这是一个二维坐标（0.065,0））。

（16）在 x_radius 输入 0.015。

（17）在 y_radius 输入 0.015。

（18）点击 OK 完成并关闭对话框。

（19）同（12），要创建一个圆或椭圆，首先单击 Create circle/ellipse 工具按钮。 然后左键在主绘图轴窗口中单击，然后按住鼠标按钮。 移动鼠标指针绘制形状。然后释放按钮以最终确定形状。

（20）在几何对象选择列表框中选择 E2。

（21）同（14）为了能够修改和编辑椭圆，点击 Inspect/edit selected geometry object 工具按钮打开 Edit Geometry Object 对话框。

（22）在 center 输入 0.11 0.12.

（23）在 x_radius 输入 0.035。

（24）在 y_radius 输入 0.035。

（25）点击 OK 完成并关闭对话框。

（26）同12，要创建一个圆或椭圆，首先单击 Create circle/ellipse 工具按钮。 然后左键在主绘图轴窗口中单击，然后按住鼠标按钮。 移动鼠标指针绘制形状。然后释放按钮以最终确定形状。

（27）在几何对象选择列表框中选择 E3。

（28）同（14）为了能够修改和编辑椭圆，点击 Inspect/edit selected geometry object 工具按钮打开 Edit Geometry Object 对话框。

（29）在 center 输入 0 0.06.

（30）在 x_radius 输入 0.025。

（31）在 y_radius 输入 0.025。

（32）点击 OK 完成并关闭对话框。

（33）在 Geometry 菜单里选择 Combine Objects...（这个在下拉菜单里面）

（34）在 Geometry Formula 编辑框里输入 R1-E1-E2-E3。意思就是把这些圆的部分从矩形中去掉。

（35）点击 OK 完成并关闭对话框。

（36）创建一个矩形，同（4），点击 Create square/rectangle 按钮，然后点击主绘图窗口，按住鼠标左键。移动鼠标指针绘制形状，松开鼠标左键完成最终的形状。这里得到一个矩形。

（37）在几何对象选择列表框中选择 R2。

（38）要修改和编辑所选矩形，请单击Inspect/edit selected geometry object 按钮来打开图形属性的对话框。

（39）在  x_min 处输入 0.065。

（40）在 x_max 处输入 0.16。

（41）在 y_min 处输入 0.05。

（42）在 y_max 处输入 0.07。

（43）点击 OK 完成并关闭对话框。

（44）同（12），要创建一个圆或椭圆，首先单击 Create circle/ellipse 工具按钮。 然后左键在主绘图轴窗口中单击，然后按住鼠标按钮。 移动鼠标指针绘制形状。然后释放按钮以最终确定形状。

（45）在几何对象选择列表框中选择 E4。

（46）同（14）为了能够修改和编辑椭圆，点击 Inspect/edit selected geometry object 工具按钮打开 Edit Geometry Object 对话框。

（47）在 center 处输入 0.065 0.06。

（48）在 x_radius 处输入 0.01。

（49）在 y_radius 处输入 0.01。

（50）点击 OK 完成并关闭对话框。

（51）在几何对象选择列表框中选择 R2 和 E4。

（52）点击 +/Add geometry objects 工具按钮。

（53）在几何对象选择列表框中选择 CJ1 。

（54）点击 Copy and/or transform selected geometry object 工具按钮。

（55）选择 Make copy of geometry object 复选框。

（56）点击 OK 完成并关闭对话框（这时，发现多了一个CJ2,它下面就是 CJ1）。

（57）在几何对象选择列表框中选择 CS3 （就是我们之前截下的那个背景）和 CJ2 。

（58）点击 - / Subtract geometry objects 工具按钮。

（59）在 Mode 工具下面选择 Grid 模式。

    默认网格可能太粗糙，无法确保准确的解决方案。减小网格大小并生成更细的网格可以更好地解决弯曲边界。

（60）在 Grid Size 编辑框输入 0.0025。

（61）点击 Generate 按钮来调用生成网格的算法（图没啥变化）。

（62）在 Mode 工具下面选择 Equation 模式。

方程和材料系数在“方程/子域”（Equation/Subdomain）模式中指定。 在方程设置对话框中; 在框中输入密度，热容量，导热系数和初始温度的系数、 材料。

（63）在“子域”（Subdomains）列表框中选择1。

（64）清除 Flow 复选框。

（65）选择 Temperature 复选框。

（66）在 Density (密度)输入 rho_tungsten。

（67）在 Heat capacity (热容) 输入 cp_tungsten。

（68）在 Thermal conductivity (导热系数) 中输入 k_tungsten。

钨（tungsten）   钢（steel）

（69）在“子域”（Subdomains）列表框中选择 2。

（70）清除 Flow 复选框。

（71）选择 Temperature 复选框。

（72）在 Density 输入 rho_steel 。

（73）在 Heat capacity (热容) 输入 cp_steel。

（74）在 Thermal conductivity (导热系数) 中输入 k_steel。

（75）点击 OK 以完成方程式和子域设置说明。

Model Constants and Expressions （模型常量和表达式功能）可用于定义和存储方便的表达式。 然后可以在点，方程，边界系数中以及作为后处理表达式使用它们； 此处用于定义材料参数。

（76）点击 Constants 工具栏按钮，或从Equation 菜单中选择相应的条目，然后在 Model Constants and Expressions 对话框中输入以下变量。 在最后一个表达式之后按 Enter 键，或使用 Add Row 按钮展开表达式列表。

Name	Expression
rho_tungsten	19000
cp_tungsten	134
k_tungsten	163
rho_steel	7500
cp_steel	470
k_steel	44

 

（77）在 Mode 工具栏下选择 Boundary 。

（78）在 Boundary Settings 对话框，选择 Heat flux 为所有边界选择热通量边界条件，在编辑字段中输入 k_tungsten 和 k_steel作为每种材料对应的边界的对流传递系数，并为周围参考温度 Tinf 输入17。这里注意边界对应的系数，1~3是钨的，其余是钢的。一定要注意那个外界温度的填写方式。

（79）现在已经确定了问题，请按 Solve（解决方案模式）按钮切换到解决方案模式。 由于这是一个与时间相关的研究，因此请打开求解器设置(settings)并选择 Time-Dependent 求解器。 将 Time step(时间步长)设置为0.25，将 Simulation time(仿真时间)设置为16，将时间停止标准设置为0，然后按 slove 以启动求解过程。

（80）点击 Expression 按钮。

（81）在 Initial condition for T in subdomain 1 处输入 84。

（82）在 Initial condition for T in subdomain 2 处输入 -10 。

（83）点击 OK 完成并关闭对话框。

（84）点击 Plot Option 工具栏按钮。

（85）选择 Contour Plot 复选框。

（86）在 Number or specified vector of contour levels to plot 处输入 20.

（87）点击 Apply 以绘制并可视化所选的后处理选项。

回顾解决方案，并验证组件已冷却至大约 t = 13 s 的 70 度温度。 请注意，颜色栏和“Limits”字段都将显示最小和最大表面图值。

（88）从 Available solutions/times 下拉菜单中选择12.75。

（89）点击 OK 以绘制并可视化所选的后处理选项。

最后：中国加油、武汉加油！！！