基于Fluent電磁流場散熱特性仿真

仿真客

2023年8月23日 12:00

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電磁爐內部發熱元件的散熱會嚴重影響電磁爐的性能、運行安全以及可靠性，因此需要設計合理的散熱結構實現對發熱元件的降溫。通過運用Fluent計算流體動力學仿真，提出一種基于風能聚集與分層送風的電磁爐散熱結構設計思想，通過實驗對仿真模型的準確性進行驗證。

1 引言

電磁爐是一種基于渦流加熱原理的灶具。電磁爐通過其內部的交頻元器件和勵磁線圈產生交變磁場，交變磁場被鐵質鍋具切割而產生渦流，鍋具中的鐵分子在渦流作用下作高速無規則運動，由于焦耳熱效應而產生大量的熱量，使鍋體快速加熱。

電磁爐設備中，主要通過IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor，絕緣柵雙極晶體管）、整流橋以及勵磁線圈等開關元件產生高頻電流和磁場，是電磁爐的核心器件之一。然而，高頻通斷使得IGBT和整流橋發熱嚴重，對電磁爐運行安全以及可靠性構成威脅，且會顯著影響電磁爐的運行效率，因此需要重點控溫。

工程上，一般選用強制風冷循環為IGBT、整流橋以及勵磁線圈等主要發熱元件進行降溫。

2 電磁爐散熱仿真模型建立

2.1 物理模型

仿真以某型號電磁爐為樣機，樣機尺寸為長度345 mm，寬度280 mm，高度52 mm。散熱片用于為電路板上的兩個大功率發熱元件降溫，分別為IGBT和整流橋。散熱片材質為鋁，長度為74 mm，總翅片數為11片，翅片間距為4.3 mm，單片翅片厚度為1.2 mm，高度為10 mm。線圈盤置于電路板上方，即與散熱片分層放置。對散熱片、線圈盤的降溫可采用強制對流風冷的方式，這是由于與液冷結構相比，強制對流風冷結構較為簡單，成本較低，且可靠性高，易于維修。

為實現強制對流風冷，需在特定位置放置風機。與離心風機相比，軸流風機有著風量大、能耗低、風壓小等特點，因此電磁爐通常采用軸流風機實現強制對流風冷。風機正下方設有進風格柵，當空氣通過風機進入電磁爐內部后，會分別被聚風板和導風筋導向線圈盤和散熱片，發生熱交換后從出風口排出。

基于Fluent電磁流場散熱特性仿真的圖1

圖1 電磁爐散熱結構物理模型

2.2 網格劃分

電磁爐內部計算域的網格如圖2所示。網格采用非結構化四面體網格，對發熱元件處的網格進行了加密處理，以提高熱傳遞的計算精度。控制合適的網格尺寸，為計算熱傳導過程，需對IGBT、整流橋、線圈盤等發熱元件設置固體計算域，因此空氣與各發熱元件的對流換熱過程可采用流固耦合模型進行計算。

基于Fluent電磁流場散熱特性仿真的圖2

圖2 電磁爐內部計算域網格

2.3 流體控制方程

仿真模型基于RANS（Reynolds-averaged Navier-Stokes）方程。

2.4 邊界條件設置

電磁爐系統中共有四個熱源，分別為微晶面板上表面、線圈盤、IGBT和整流橋。微晶面板上表面的熱量主要來自鍋體，可為微晶面板上表面設置與鍋體相同的固定溫度，因此當模擬燒水時，可設置微晶面板上表面為100℃。通過實驗測得線圈盤、IGBT和整流橋的發熱功率分別為100W、7.4W和3.3W左右，因此可為這三個發熱元件設置相應的體熱源。樣機所用軸流風機的型號為SF12025SM，其轉速為2500rpm，PQ性能曲線如圖3所示。為節約計算成本，縮短計算時間，可采用風扇模型來模擬風機的運行。發熱元件與散熱片之間以及發熱元件與空氣之間的熱傳遞過程采用耦合壁面模型進行計算，其他可忽略熱傳遞過程的壁面，如聚風板、導風筋、外殼等，可設置為絕熱壁。風機進風口和電磁爐出風口分別設置為壓力進口和壓力出口。采用定常求解器計算傳熱及流動過程，即忽略控制方程中的時間偏導項，這樣計算出的溫度場和流場均為不隨時間變化的穩定狀態。壓力與速度的耦合采用壓力耦合方程組半隱式算法（SIMPLE）來實現。

基于Fluent電磁流場散熱特性仿真的圖3

圖3 SF12025SM型號風機性能曲線

3 計算結果及分析

3.1 模型準確性驗證

為驗證仿真模型的準確性，需在與仿真模型相同的工況下對樣機進行測溫實驗，并將實驗數據與仿真結果進行比較。測溫實驗的環境溫度為27℃，實驗內容為在全功率（2100W）狀態下持續燒水30分鐘，測量樣機內部不同位置的溫度，測溫點包括：IGBT下表面取1個點、整流橋下表面取1個點、散熱片上表面取2個點、微晶面板下表面取1個點、線圈盤內部取1個點、出風口取1個點、鍋體下表面取1個點。各測溫點的溫度隨時間的變化如圖4所示。從圖中可以看出，樣機在全功率狀態下工作8分鐘左右可使水沸騰，之后鍋體溫度維持在100℃左右，且其他測溫點溫度均趨于穩定。將穩定后各點溫度與仿真模型中相同位置的溫度進行比較，并匯總于表1。

表1 測溫實驗與仿真模型的溫度對比

基于Fluent電磁流場散熱特性仿真的圖4

基于Fluent電磁流場散熱特性仿真的圖5

圖4 測溫實驗不同位置溫度隨時間變化曲線

從表1可以看出，仿真得出的IGBT、整流橋、微晶面板、線圈盤及出風口的溫度與實驗值很接近，誤差在5%以內，說明仿真模型的設置接近于樣機的實際運行情況，而散熱片的溫度與實驗值相差較大，實驗值遠高于仿真值。存在偏差的原因可歸于以下幾點：

實驗過程存在誤差。
仿真模型中使用的邊界條件及物性參數均為假設或經驗值，因此存在計算誤差。
仿真的三維模型對實際模型進行了簡化，忽略了不必要的細節，包括電路板上的微小電器元件、加強筋、凸臺、圓角等。
仿真為減小網格數和計算量，對風機進風口和電磁爐出風口做了簡化處理，這會對風場造成一定影響，進而影響傳熱。
仿真忽略了PCB電路板和控制面板的發熱。

3.2 散熱結構仿真分析及優化

現將已經過驗證的仿真模型應用到某新款電磁爐的研發設計階段。線圈盤與散熱片采用分層放置的方式，這種放置方式的特點為，可減小電磁爐占用體積，為PCB電路板預留更大的空間，并且可分別為線圈盤和散熱片設計專用風道，合理分配進風量，有利于發熱元件的散熱。3.2.1 風道位置對散熱效果的影響目前該新款電磁爐的散熱結構有如圖5所示的兩種方案，方案二為在方案一的基礎上，將導風筋、聚風板、軸流風機以及PCB電路板向左側移動20.3mm。

基于Fluent電磁流場散熱特性仿真的圖6

圖5 某新款電磁爐的風道設計方案

兩個方案通過仿真模型計算出的內部流線圖如圖6所示，可以看出，導風筋和聚風板為散熱片和線圈盤構成專用風道，即空氣通過軸流風機進入電磁爐內部后，一部分空氣被導風筋聚集到散熱片周圍，為散熱片散熱，一部分空氣被聚風板聚集到線圈盤周圍，為線圈盤散熱。導風筋和聚風板的位置對于風道的散熱效果有著很重要的作用。如圖6(a)所示，在方案一中箭頭所在的位置，空氣沒有被導風筋或聚風板聚集，直接由出風口排出電磁爐，因此流經此處的空氣沒有促進發熱元件的散熱，而從圖5(a)中可以看出，箭頭所在位置空間較大，沿程阻力較小，風量相對較大，造成了進風浪費。圖6(b)的方案二箭頭所在位置的風量明顯減小，用于散熱的風量明顯增多，相同進風量的有效利用率有所提高。因此，合理利用電磁爐內部空間，適當增大風道兩側的沿程阻力，可將進風更多地聚集至風道，提升風道散熱效果。

基于Fluent電磁流場散熱特性仿真的圖7

圖6 方案一和方案二的流線圖

若用電磁爐燒油、炒菜等，鍋體的溫度會急劇升高，可超過燒水時所能達到的100℃，因此為模擬較惡劣工況下發熱元件的散熱情況，設置與鍋體溫度相同的微晶面板上表面為200℃。兩個方案計算出不同測溫點的溫度總結于表2，可以看出，方案二各點溫度均低于方案一，尤其是IGBT、整流橋和散熱片，溫差可達14℃左右，說明在方案二中，由導風筋構成的散熱片專用風道的散熱效果較方案一有很大提升，進風有效利用率較高。

表2 方案一和方案二的仿真溫度對比

基于Fluent電磁流場散熱特性仿真的圖8

3.2.2 風道高度對散熱效果的影響

導風筋可將進風聚集至散熱片，構成散熱片專用風道，同時聚風板可將進風聚集到線圈盤上表面與微晶面板下表面之間的間隙處，構成線圈盤專用風道，當進風流經該風道時，不僅可為線圈盤散熱，還可有效隔絕來自微晶面板的輻射傳熱。然而，線圈盤專用風道的高度會影響進風量，進而影響發熱元件的散熱效果，因此方案二和方案三采用了不同的風道高度，來探究其對散熱效果的影響。

方案二和方案三的內部散熱結構如圖5(b)所示，導風筋、聚風板、軸流風機、PCB電路板以及線圈盤的位置相同，不同點是方案三將微晶面板向上偏移2mm，進而線圈盤專用風道的高度與方案二相比增加了2mm。兩個方案通過仿真模型計算出的內部溫度云圖如圖7所示。基于圖7可看出，高溫區域受進風影響向電磁爐的出風口方向移動。然而，方案三的高溫區域堆積在邊緣處，沒有從出風口排出，說明將微晶面板向上偏移2mm后，線圈盤上方的空間增大，空氣由出風口排出的路徑也相應增長，不利于經熱交換之后的熱空氣排出電磁爐，不利于線圈盤的散熱。

基于Fluent電磁流場散熱特性仿真的圖9