自然對流
關注創建者：Oler 創建時間：2019-07-04
自然對流的視頻教程
輻射和自然對流的模擬
在本教程中，結合輻射和自然對流求解一個純六面體單元的正方體區域溫度場。主要技術點如下： 使用ANSYS Fluent中的面到面(S2S)輻射模型; 設定包含自然對流和輻射的傳熱問題的邊界條件。
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fluent電機自然對流散熱仿真
講解fluent如何進行自然對流散熱仿真，通過一個電機的二維仿真實例詳細講解 模型如何進行處理 如何設置邊界條件 如何設置耦合壁面 如何設置非一致網格界面 材料設置 求解器設置 通過舉一反三，使學習者具備各種情況下fluent的自然對流散熱設置方法
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自然對流的實例教程
上節主要說了采用Boussinesq假設的自然對流基礎理論，本節會講一下相應的Fluent應用案例，重點針對Boussinesq假設相關的關鍵設置詳細說明。
1.設置要點
首先不說廢話，先概括一下設置要點。如上節所述，我們已經知道Boussinesq假設主要針對動量方程的浮力項作了如下處理，這里就引出了三個量：操作密度ρ0、熱膨脹系數β及操作溫度T0。
那么該設置要點就是：
（1）勾選重力加速度
（2）設置操作密度ρ0、熱膨脹系數β及操作溫度T0。
2.案例概述
本例采用Fluent自帶的驗證算例說明，如下圖所示，一個長寬比為28.6的封閉空腔，上下水平壁面為絕熱壁面，兩個豎直壁面施加不同的壁面溫度，重力加速度為豎直Y方向，空腔內發生湍流自然對流，可以推算空腔內溫升并不大（溫升在20%以內），適用于Boussinesq假設。
3.操作流程
（1）進行總體設置。Steady，Pressure-based求解。由于自然對流是由于重力引起的，因此一定要勾選重力項。
（2）進行模型設置。因為考慮了溫度變化，打開能量方程；選擇Standard k-ε湍流模型，需要說明的是自然對流選擇層流還是湍流模型并不是根據雷諾數進行判斷，而是根據瑞利數Ra進行判斷：
層流和湍流的過渡區間很大，Fluent幫助文檔給出Ra=1e8作為參考，認為Ra>1e8時為自然對流湍流，相反為層流，大多數自然對流都為層流，本例較為特殊。
（3）進行材料屬性關鍵設置。進行材料屬性設置前，首先進行操作溫度T0設置,操作溫度一般選擇環境溫度，可以按照下圖原則進行設置。
展開 自然對流有邊界層嗎？自然對流和強制對流的邊界層厚度怎么計算？
電子散熱冷卻中經常采用Boussinesq假設來計算自然對流散熱，該方法計算速度快，計算穩定性高。
本文主要講述采用Boussinesq假設的自然對流原理、關鍵點及應用條件，下一篇會講述具體的應用案例。
為什么要采用Boussinesq假設？
自然對流主要由于密度受熱變化產生密度差造成，該現象可用如下的可壓縮N-S方程描述。
一方面可以看到該方程是高度非線性的，這種特性會造成求解變得不穩定；另一方面可以看到該方程需要求解的變量非常多，包括速度場u、v、w，壓力場p，密度場ρ等，內存需求比較大。
Boussinesq假設即為解決上述問題而產生，當然既然是假設，自然有一些適用前提，Boussinesq假設氣體密度變化非常小。
Boussinesq假設在方程中如何表現
好吧，下面講述一些枯燥的理論，即Boussinesq假設如何在方程中表現。主要分為以下幾步：
1.把氣體密度ρ寫成參考密度項ρ0與由于溫度引起的密度變化項△ρ之和。
根據假設，其中△ρ遠小于ρ0。
2.把方程（3）代入上述N-S方程（1）、（2），并得到如下方程。
自然對流中浮力是驅動力，因此動量方程（5）中的浮力項也是占主導作用，且密度變化△ρ遠小于參考密度ρ0,因此對于瞬態項、對流項可以忽略△ρ，即
最終簡化為
可以看到此時瞬態項、對流項的密度已被消去，只剩下浮力項還帶有密度，我們的目標是把浮力項中的密度也消去，這樣方程的非線性、內存需求都會降低。
3.浮力項密度可以用溫度代替嗎？帶著這樣一個疑問，在消去浮力項密度之前，首先定義一個名詞：熱膨脹系數β。
展開 要用Fluent模擬自然對流的速度場和溫度場，想知道各位都添加些什么邊界條件，入口，出口怎么設置，需要知道哪些參數？要不要算對流換熱系數---
傳熱計算-空腔自然對流換熱 ￥10
內部介質為空氣，在溫度影響下產生自然對流。
圖 1 幾何模型
2 劃分網格
上下邊界劃分300個節點，左右邊界劃分30個節點，共生成9000個四邊形網格。
邊界命名
3 設置邊界條件
設置重力加速度為-9.81m/s2，添加空氣相關參數。
原文檔在附件里，自行下載。
自然對流的相關專題、標簽、搜索
自然對流的最新內容
本研究利用瞬態平面熱源法導熱儀進行了系統測試，規避了自然對流帶來的誤差。
▲ 圖6 純冷卻液與不同體積分數納米顆粒冷卻液的導熱系數：（a）氧化銅與（b）氧化鋁
純液態在25°C與55°C時的導熱系數分別為0.1390 W/(m·K)與0.1450 W/(m·K)。測試數據表明，微量納米顆粒的介入引起了導熱網絡的質變。
全類型仿真分析，覆蓋核心需求：支持全尺度流場分析（穩態/瞬態、層流/湍流等）、全類型熱管理（共軛傳熱、自然/強制對流、輻射等）、多物理場耦合（流-固-熱-聲-運動聯動），還可實現多相流、旋轉機械、氣動噪聲、非牛頓流體等復雜場景仿真，同時支持與Altair? EDEM? 耦合，完成顆粒-流體系統仿真，滿足不同行業的個性化需求。
3.
三、諾冠（IMI Norgren）的冷卻實現方案
針對確有冷卻需求的應用，諾冠提供多種高效、可靠的熱管理策略：
自然對流散熱設計
優化閥體結構，增加散熱鰭片，提升表面積，適用于中等負載場景。
強制風冷
在閥體周圍加裝小型風扇，加速空氣流動，適用于封閉電柜或空間受限但溫升可控的場合。
晶圓底部溫度設定為50℃，頂部采用自然對流換熱系數（HTC）。
注意：要導出溫度圖，用戶需要使用Icepak的“Write Thermal Loads”ACT擴展。
步驟 2：在INTERCONNECT中進行Circuit仿真
在INTERCONNECT中，WDM傳輸鏈路被用作測試平臺。INTERCONNECT導入上一步生成的溫度分布圖，并使用腳本在晶圓上分配WDM系統。
瞬態熱分析（Transient Thermal）
模擬隨時間變化的溫度響應，支持變載荷、變邊界條件、熱慣性
可捕捉溫度動態過程（如啟動 / 停機、熱沖擊）；支持非線性材料熱屬性；與瞬態結構耦合方便
求解耗時長、需精細時間步控制；對初始條件和網格質量敏感
發動機啟停、焊接熱影響區、脈沖加熱、自然對流瞬態過程
自由對流：最常見且最具成本效益的散熱機制是高溫物體周圍的空氣自然對流。由于熱空氣會因浮力的作用而上升，熱物體的熱能會進入空氣中，然后上升并離開部件，從而將較冷的空氣吸入，取代熱空氣。空氣是自由對流中最常見的流體，但在要求更嚴苛的應用中，會使用其它氣體和液體。
散熱器（Heat Sink）：附著在熱源上的一個物體將熱量從源物體傳遞出去，然后通過對流傳熱的方式將其耗散在流體中。
培訓內容：
1、Ansys Fluent傳熱模塊介紹
1.1簡介
1.2熱傳導
1.3強制對流
1.4自然對流
2、Ansys Fluent傳熱模塊案例演示
2.1熱傳導
2.2對流換熱
時間：11月18日 ，9:00-11:00
合作伙伴：上海恒士達科技有限公司
地點：線上
費用： 免費
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</li></ul><p><br></p><p>Thermal Model：</p><p><br></p><ul><li>強制冷卻Passive scaler；</li><li>自然對流Boussinesq。</li></ul><p><br></p><p>為了加速計算，可以先采用粗格子，虛擬風扇（P-Q曲線）模型快速計算，獲得近似結果。
Thermal Model：
強制冷卻Passive scaler；
自然對流Boussinesq。
為了加速計算，可以先采用粗格子，虛擬風扇（P-Q曲線）模型快速計算，獲得近似結果。再將結果映射到細密格子，OSM風扇動網格模型計算，最終獲得高精度結果。
概念設計階段： 快速評估不同散熱方案（如自然對流、強制風冷、液冷）的可行性，為架構設計提供關鍵數據支撐。
1、詳細設計階段： 對PCB布局、元器件選型、散熱器設計、風道優化等進行精確仿真， pinpoint潛在過熱風險，并提出改進方向。
2、設計驗證與優化： 在物理樣機制作之前，完成虛擬驗證，減少試錯次數，顯著降低研發成本和縮短開發周期。
