该文档属于类型a，是一篇关于共轭传热（Conjugate Heat Transfer, CHT）问题耦合策略分析的单篇原创性研究论文。以下是针对该研究的学术报告：

OpenFOAM中共轭传热问题耦合策略的分析与改进研究

1. 作者与发表信息

本研究由Emad Tandis（英国阿斯顿大学工程学院）、Philip Cardiff（爱尔兰都柏林大学机械与材料工程学院）和Ali Ashrafizadeh（伊朗德黑兰KN Toosi科技大学机械工程学院）合作完成，发表于期刊journal ropen foam第5卷（2025年3月），论文标题为《Analysis of Coupling Strategies for Conjugate Heat Transfer Problems》，DOI编号为10.51560/ofj.v5.92。研究基于OpenFOAM开源平台（版本foam-extend-4.0、openfoam-v2112和openfoam-9），代码公开于GitHub仓库。

2. 学术背景

共轭传热（CHT）是流体与固体间热相互作用的多物理场问题，涉及质量、动量和能量的耦合方程求解。其数值解面临精度、稳定性和计算成本三大挑战。现有OpenFOAM中的CHT求解器存在以下问题：
- 分区算法（Partitioned Approach）需显式交换界面信息，需额外的预测-校正循环，计算效率低；
- 整体算法（Monolithic Approach）虽稳定性高，但限于单区域求解且缺乏压力-速度-温度（PUT）强耦合支持。
本研究旨在：
1. 分析OpenFOAM现有CHT求解器的耦合策略；
2. 提出两种改进算法：高效分区算法和支持多区域的整体算法；
3. 通过瞬态测试案例验证算法性能。

3. 研究流程与方法

3.1 数学建模

研究基于Boussinesq假设的不可压缩流体，控制方程包括：
- 流体域：质量守恒（式11）、动量守恒（式12）、能量守恒（式13）；
- 固体域：能量方程（式10）。
界面连续性条件为温度（式14）和热流密度（式15）连续。通过无量纲化分析，定义了表征耦合强度的参数：Grashof数（Gr，PUT耦合）、Prandtl数（Pr）、Reynolds数（Re）及界面耦合系数σ（TT耦合）。

3.2 数值方法

• 离散化：采用有限体积法（Finite Volume Method），网格如图2所示，使用Gauss线性格式离散梯度项，Gauss迎风格式离散对流项。
  
• 界面条件处理：
  
  • 分区算法：通过Robin边界条件（混合Dirichlet-Neumann条件）显式更新界面温度（式27-28）；
    
  • 整体算法：将界面视为内部边界，直接求解全局能量方程（式26）。
    
• 求解算法：
  
  • 改进分区算法（SIPM-SP）：外循环处理PUT耦合，内循环（界面循环）处理TT耦合；
    
  • 改进整体算法（SIPM-M）：外循环强耦合PUT，内循环全局求解能量方程；
    
  • 对比基线：OpenFOAM现有分区算法（SIPM-IP，无独立界面循环）。
    

3.3 测试案例

• 单方腔自然对流（图5）：验证三种耦合状态（强PUT-弱TT、弱PUT-弱TT、弱PUT-强TT），网格尺寸80×80（流体）和80×20（固体）。
  
• 三方腔多区域问题（图10）：评估算法在多区域场景下的扩展性。
  

3.4 性能评估

• 收敛标准：质量/动量方程残差<10⁻³，能量方程残差<10⁻⁶；
  
• 计算效率：记录CPU时间及外层迭代次数；
  
• 动量预测器（Momentum Predictor）：对比启用/禁用对收敛速度的影响。

4. 主要结果

4.1 算法精度验证

温度分布（图6-7）与文献[38]结果一致，验证了改进算法的准确性。现有整体求解器（conjugateHeatFoam）因缺乏PUT外循环，在大时间步长下误差显著（图8）。

4.2 计算效率

• 分区算法改进：SIPM-SP比SIPM-IP提速2倍（图9），尤其在强TT耦合（σ≈0.93）时优势明显；
  
• 整体算法优势：SIPM-M在强耦合条件下（如状态A：Gr=1.43×10⁵, σ=0.93）效率最高（表4）；
  
• 动量预测器作用：启用后外层迭代减少3倍，CPU时间减半（表4-5）。
  

4.3 多区域扩展性

三方腔案例（图11-12）显示：
- 分区算法在固体区域能量残差振荡需更多迭代；
- 整体算法稳定性更优，CPU时间比SIPM-IP减少37%（图13）。

5. 结论与价值

• 科学价值：
  
  1. 提出了分离循环策略（SIPM-SP），显著提升分区算法效率；
     
  2. 扩展了整体算法（SIPM-M）至多区域，并增强PUT耦合；
     
  3. 揭示了动量预测器对耦合问题收敛的关键作用。
     
• 应用价值：为OpenFOAM用户提供了高效CHT求解方案，尤其适用于多区域强耦合问题（如电子冷却、核反应堆设计）。
  

6. 研究亮点

1. 方法创新：首次在OpenFOAM中实现分离循环分区算法与多区域整体算法；
   
2. 性能突破：强耦合条件下，SIPM-M比现有算法快2倍；
   
3. 开源贡献：代码集成于multichtFoam求解器，支持用户灵活选择算法。
   

7. 其他发现

• 局限性：当前整体算法仅支持不可压缩流，未涉及两相流或化学反应模型；
  
• 未来方向：需进一步研究稳态问题、固-固耦合及非均匀边界条件的影响。
  

此报告系统梳理了研究的理论基础、方法创新与工程价值，为相关领域学者提供了技术参考。