LED 散熱器流場分析的案例
基于Hypermesh前處理與Fluent、Optistruct求解器的流固耦合分析（一）流場計算
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一、概述
隨著計算科學以及數值分析方法的不斷發展，流固耦合或交互作用 （fluid structure coupling 或 fluid structure interaction）研究從 20 世紀 80 年代以來，受到了世界學術界和工業界的廣泛 關注。流固耦合問題是流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）與固體力學 （Computational Solid Mechanics，CSM）交叉而生成的一門力學分支，同時也是多學科或多物理場研究的一個重要分支，它是研究可變形固體在流場作用下的各種行為以及固體變形對流場影響這二者相互作用的一門科學。了解流固耦合對于許多產品的設計至關重要。如果不考慮流體與固體之間的相互影響，則會導致產品性能被過高或過低估計。
流固耦合一般分為單向耦合與雙向耦合。如果結構變形非常小，并且可以認為結構的變形幾乎不會對流場的各項參數產生影響，或產品本身不允許在流體的作用下發生較大的變形，這種情況下只需要先求解出流體與固體界面上的壓強數據，并將壓強數據傳導到固體的表面進行結構力學計算。然而，如果結構發生大變形，流體的速度和壓力場就會因此發生改變，此時我們需要將其作為雙向耦合問題進行多物理場分析：流體流動和壓力場會影響結構變形，而結構變形又反過來影響流體的流動和壓力。實際工況中選擇進行單向耦合分析還是雙向耦合分析需要根據實際產品及作用工況進行判斷。
本文將執行一個單向流固耦合分析流程，先在Hypermesh前處理器進行流體域的建立和CFD網格劃分，然后導入至Fluent求解器進行流場計算，得到流體與固體界面的壓強信息，隨后將Fluent中計算得到的壓力信息映射至結構網格上，并使用Optistruct求解器進行結構力學分析。
展開 發動機氣缸風冷散熱器溫度場分析 FLUENT 報錯
在把氣缸畫好網格后，在外面畫了一個流體的風洞網格，在導入FLUENT 求解時提示grid connectivity information not available，是不是氣缸的網格和流體的網格要做一個特殊的處理，希望大師給指點……
大型變流器裝置強迫風冷散熱仿真分析
目前，強追風冷已經普遍適用于較高熱流密度的散熱需求。在一個柜體中，如何選用風機來冷卻多個發熱部件，以及這些不同發熱部件之間由于結構的排布局限而導致的冷卻效果會受到多大的影響？本文針對該問題來進行仿真分析。
本文分析的柜體高度方向為2.4m，共計12個發熱部件。每個部件的額定發熱功率為2000W，每四個發熱部件共用一個散熱器來進行冷卻。發熱部件緊緊貼在散熱器的基板上并使用導熱硅脂來降低接觸面的熱阻。按照常規思路，每個模塊前方采購一個風機進行吹風或者吸風，可以很好地冷卻本層的4個發熱部件，如此三個模塊就需要至少使用一個風機來進行冷卻（如想冷卻效果更好，可采用模塊前方兩個或者多個風機并聯吹風或者吸風）。采用的冷卻風機越多，對發熱部件的冷卻效果相對越好，但是工程上追求的往往不是某一個設計因素的“最優”方案，而是綜合了環境條件、成本因素、安裝條件、防護等級、允許噪聲等諸多條件的“限值最優”方案。
本文綜合考慮以上因素，采用三個模塊（每個模塊上有4個發熱部件）共用一個冷卻風機的冷卻方案，風機放置于柜體的最頂部進行“吸風”，冷卻風在經過散熱器的翅片以后轉彎90度直接被放置于頂部的風機吸走。在初選風機PQ曲線之后，使用軟件Icepak帶入風機的PQ曲線，軟件會根據柜體的系統阻抗和風機的PQ曲線自動匹配風機的工作點。
計算完畢之后，可以看出三個截面不同高度處的速度云圖。
由XY截面的速度可知，由于高度差的原因，三層模塊的入風流量不完全一樣，呈現出隨高度的增加而風量增大的現象。這主要是因為頂部的模塊靠近風機，所以負壓較大。但是散熱效果不僅僅是風量的單變量函數，三個模塊的冷卻效果呈現出隨著高度的增加逐漸惡化的趨勢，也即是頂部模塊散熱效果最差。
展開 消聲器流場分析
問題描述：xiaoyinqi流場分析
問題類型：流體分析
分析人：技術鄰 異色天空
簡述：
噪聲是衡量壓縮機品質的主要指標之一。在壓縮機噪聲的構成中，因氣流壓力脈動造成的空氣動力噪聲所占比例最高。這種噪聲主要產生在進排氣端，且相比之下進氣噪聲較強。
綜合以上信息，通常采用吸氣xiaoyinqi來控制氣缸腔內因制冷劑壓力脈動產生的輻射噪聲。另外，結合軟件分析xiaoyinqi的流場和聲場，采集數據對其進行設計優化，成為降低壓縮機噪聲的有效途徑。
模型：
壓力場分布：
速度場分布：
小結：
壓力損失是描述xiaoyinqi綜合性能的一個重要指標。在滿足降噪要求的同時，進出口端的壓力損失越小越好。由Fluent軟件計算可看出，隨著壓縮機排量的增加，入口速度的提高，該xiaoyinqi進出口端的壓力損失由212.69Pa增加到1573.43Pa，xiaoyinqi的效率降低。
氣體從進口管出口處以射流的形式進入，所以xiaoyinqi的一側面的所受壓力偏大。在消音腔內，氣流會與腔內流速較低的氣體混合，形成小范圍的旋渦，造成能量耗散和損失。隨后，氣體經過消音腔的緩沖進入排氣管，排出xiaoyinqi。總的來看，吸氣xiaoyinqi內部的速度場比較均勻，對氣體在消聲器內的流動影響不大。
展開 
針對袋除塵器運行阻力過高的流場分析 ￥20
一、項目簡介
西南某水泥窯尾袋除塵器進氣形式為灰斗進氣，共2×8=16個灰斗。目前中控顯示運行阻力較高，經分析除塵器結構，問題可能出現在以下幾點：
1.來自磨機和增濕塔的煙氣匯合流入匯風箱，導致除塵器進口煙氣分布不均。
2.且來自磨機的煙氣管道與主管道成直角相貫，導致進口段阻力較高。
3.灰斗進口管道最小斷面處風速過高，導致設備阻力升高。
現通過模擬磨開和磨停兩種情況，并就以上問題通過添加導流及改造灰斗進氣管道的方式對設備內流場進行優化，降低設備阻力。
二、計算模型及邊界條件
2.1 計算模型建立
四川峨邊窯尾袋改袋除塵器三維模型如下：
原始方案三維模型
改造方案三維模型
袋室流量監測面位置示意
2.2 邊界條件
計算參數如下，原始方案總煙氣量為510000m3/h，改造方案下煙氣量為530000m3/h，煙氣溫度150℃，分別計算磨開（假設磨機與增濕塔煙氣流量比為1:1）以及磨停兩種情況。進口邊界條件為速度進口，進口速度為見下表。出口邊界條件為壓力出口，壓力值為0Pa。湍流模型采用標準k-ε模型，壁面函數為標準壁面函數，固壁面設置為無滑移壁面。濾袋表面設定為多孔跳躍邊界。
計算結果及分析
3.1 原始方案
3.1.1 磨停
磨停狀態下，氣流從增濕塔流入，設備模擬運行狀態如下：
速度流線圖
除塵器進口截面(int2)速度云圖
灰斗進氣口截面速度云圖
濾袋表面風速
從流線圖中能夠看出，在原始方案下，由于缺少導流措施，氣流在從增濕塔進入匯風箱后主要集中在匯風箱底部，致使除塵器進口氣流分布極其不均勻，int2截面最大風速達到了26.3m/s。
展開 某鋼廠180平脫硫除塵器流場分析 ￥15
一、項目簡介
某鋼廠180平脫硫除塵器進氣形式為殼體側壁進氣，共2×5=10個灰斗，每個灰斗對應兩個袋室，共計20個袋室，每個袋室對應一個側壁進風口。由于除塵器為非連續排灰形式，因此需保證每個灰斗內累計飛灰重量達30t時，灰斗內氣流流速不宜過高，以免出現揚塵現象（若灰斗內流速過高，將會把預存在灰斗內的粉塵吹起，形成二次揚塵，該部分揚塵和隨氣流新進入灰斗的粉塵一起從新進入袋室，從而增加了袋室的進塵濃度，影響濾袋的掛灰和阻力）。同時為保證袋除塵器在運行時氣流均布性及運行阻力滿足要求，對該除塵器進行CFD模擬分析，并提出導流優化方案。
二、計算模型及邊界條件
2.1 計算模型建立
180平脫硫除塵器三維模型如下：
三維模型
袋室流量監測面位置示意
2.2 邊界條件
計算參數如下，總煙氣量為666134m3/h，煙氣溫度150℃。進口邊界條件為速度進口，進口直徑為6.9m，計算進口風速為4.95m/s，水力直徑為6.9m，湍流強度為2.72%，氣體密度為0.808kg/m3，氣體粘度為2.38E-05Pa·s。出口邊界條件為壓力出口，壓力值為0Pa。湍流模型采用標準k-ε模型，壁面函數為標準壁面函數，固壁面設置為無滑移壁面。濾袋表面設定為多孔跳躍邊界。
3 仿真結果
為保證除塵器安全穩定運行，需保證：
避免殼體側壁進風口風速過大，導致局部阻力上升；
防止濾袋表面風速過高，致使運行過程中破袋風險增加；
在煙道內增加導流措施，保證各袋室流量分布均勻；
當每個灰斗內累計飛灰重量達30t時，灰斗內氣流流速不宜過高，以免出現揚塵現象。
經過仿真模擬，設備模擬運行狀態如下：
展開 基于PERA SIM Fluid攪拌器單相流場仿真分析
圖4 扭矩隨迭代步數的變化
圖5給出了攪拌器不同截面上的速度云圖和矢量圖的分布，從中可以看出流體在攪拌器內的運動特性及速度分布大小：在槳葉旋轉作用下，流體從頂部中間區域進入上部攪拌槳區域，沿旋轉軸往底部流動，在底部壁面和擋板作用下往攪拌器頂部流動，形成完整的流動循環，有利于物料在攪拌器內的混合。當槳葉/擋板選型或設計不合理時，會形成流動短路或流動死區的現象，不利于物料的混合及反應。因此利用CFD方法可以快速評估及優化攪拌器的設計方案及工藝參數選取。
圖5 截面速度云圖及矢量圖分布
5.結論
本文利用國產自主仿真軟件PERA SIM Fluid對雙槳攪拌器內的單相流場進行了快速仿真分析，得到了當前工藝參數下的槳葉扭矩和攪拌器內的流場結構特性，為攪拌器設計（槳葉選型設計/擋板參數設計）及工藝參數優化提供參考。
可以看出，作為一款自主研發的國產流體仿真軟件，PERA SIM Fluid在攪拌器單相流場計算過程中，能很好地完成幾何模型定義、網格劃分、材料定義、邊界設置、分析求解和結果查看全過程，仿真流程完善，收斂性好。
作者：安世亞太工程師 鄒劍峰
展開 基于FLUENT的某反應器流場分析
關鍵詞：FLUENT，撞擊流，結構優化，計算流體力學，流場特性
撞擊流是強化流體微觀混合的有效方式之一，其原理是通過兩股或多股流束在同一空間點相互撞擊造成強烈湍流，撞擊流式反應器具有高效的微觀混合特性，能夠產生強烈的壓力波動，提高原料液分子間有效碰撞的概率，其性質優越，具有很大的應用潛力。對撞擊流式反應器的研究目前也相當成熟，利用數值模擬方法對撞擊流式反應器進行流場分析是常用的技術手段。
利用FLUENT軟件對某撞擊流反應器進行數值模擬。通過數值模擬手段對其幾何結構進行優化，探索得到其最優的結構參數。以某結構參數的反應器為例進行以下數值模擬流程介紹。通過精細的網格劃分和仿真設置，模擬了反應器內部的流場特性，以云圖和流線方式顯示反應器內部流場的速度分布和壓力分布。
在仿真過程中，首先建立反應器的三維模型。為提高仿真精度，對模型進行了poly網格劃分。隨后設置仿真參數，包括流體密度、粘度等參數。采用SST k-omega湍流模型來描述流體的湍流特性。后續可以通過改變結構參數和操作參數對其進行更為細致的數值模擬，以進一步優化其混合效果，強化流體微觀混合。
建立幾何模型時對其進行適當的結構優化便于數值模擬過程，網格劃分時對其施加一定的控制（如曲率和偏度）以提高網格質量，綜合得到網格質量大于0.2即可滿足一般仿真需求。幾何模型如圖1所示，網格劃分如圖2所示。
圖1幾何模型
圖2網格劃分
反應器內初始流速分布如圖3所示，數值模擬過程中撞擊流流體入口流速設置為30m/s，反應器內初始壓力分布如圖4所示。
圖3初始速度分布
圖4初始壓力分布
反應器達到穩態時，速度及壓力分布如圖5和圖6所示，沿著反應器中垂面，左右兩側速度呈現對稱分布，兩股流體撞擊后速度降低。
展開 項目硅鐵一次袋除塵器輸灰風和主路風協同流場模擬分析 ￥20
煙氣出口outlet-1和輸灰出口outlet-2邊界條件為壓力出口（pressure-outlet），壓力值為0 Pa；
濾袋設置為多孔介質（porous zone）；
本次模擬湍流模型采用標準k-e模型，湍流流場的計算采用有限體積法離散控制方程，算法采用Simple算法，對流項采用一階迎風格式，近壁面采用壁面函數法處理。假定流體是不可壓縮的，作定常流動。
三、結果計算
經CFD模擬，本項目袋除塵器運行時的流線圖如下：
某鋼廠雙列式金屬濾袋除塵器系統工藝管路阻力及流場模擬分析 ￥20
<p class="ql-align-center"><br></p><p class="ql-align-justify"><strong>一、項目簡介</strong></p><p>某鋼廠雙列式金屬濾袋除塵器，除塵器前端管道布置路線復雜且彎頭較多，可能造成運行阻力較大；進氣方式為灰斗進氣，且進口管道處有彎頭，可能會對袋室內煙氣流場均勻性產生不利影響；為保證設備的穩定運行，需通過CFD對袋除塵器運行狀態進行模擬，并添加合適的導流板，以確保濾袋底部間隙風速、濾袋表面風速、灰斗壁面溫度以及阻力均能滿足運行要求。
展開 緊湊型熱交換器間斷翅片的湍流增強傳熱的流場FLUENT仿真分析 ￥299
針對緊湊型熱交換器出現了斷續和交錯翅片。間斷肋片上邊界層的不斷變化導致了高的傳熱系數，并且每個翅片后面的尾跡區域存在湍流混合。這比連續翅片熱交換器的傳熱效果更好。熱交換器示意圖如圖1所示。幾何包含在頂部和底部平面的對稱邊界條件。
假設在換熱器中加熱壓力為240k的液氨，翅片壁的溫度恒定為350k。液氨通過換熱器的質量流量為303.14 kg/s-m2，水力直徑為3.51 mm，液氨粘度為0.000152 kg/m-s，基于水力直徑的雷諾數為7000，為弱湍流區(即，低雷諾數湍流度)。仿真結果如下：
溫度場
壓力場
局部速度矢量圖
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通過流場分析某脫硫塔二級除霧器流速對煙筒內冷凝出水量的影響 ￥15
</p><p><strong>流場模擬的關鍵：</strong></p><p>1、速度場分布：</p><ul><li>核心參數：煙氣流速和其旋轉的切向速度。切向速度直接決定了離心力的大小。</li><li>分析目標：確保流場均勻，避免出現低速區（除水無效）或高速區（可能導致二次夾帶）。理想的流場是在旋流器下游形成穩定、強烈的旋流。</li></ul><p>2、壓力場分布：</p><ul><li>核心參數：系統壓降。旋流器的引入必然會增加煙氣的阻力，表現為系統壓降升高。</li><li>分析目標：在保證除水效率的前提下，優化旋流器葉片角度、密度等結構，盡可能降低壓降，以減少引風機的能耗。</li></ul><p>3、液滴軌跡與捕集效率：</p><ul><li>核心參數：液滴的粒徑分布。CFD模擬可以追蹤不同粒徑液滴的運動軌跡。</li><li>分析目標：模擬旋流器對不同粒徑液滴（特別是15μm以下的細小液滴）的捕集效率。目標是讓盡可能多的液滴軌跡終止于煙囪壁面。</li></ul><p>4、二次夾帶風險：</p><ul><li>核心參數：壁面液膜的穩定性與煙氣流速。</li><li>分析目標：分析煙囪壁面的液膜是否會被高速旋轉的煙氣重新撕碎并帶走（即二次夾帶）。這反而會降低除水效果甚至惡化情況。需要確保排水系統暢通，能及時將匯集的水排走。
展開 某出口項目電除塵器，左右兩臺設備分風不均，易造成設備效率低下，通過流場分析，在進口設計分風裝置，提高設備效率 ￥15
該電除塵器為雙列式結構，其進口主管道相對于兩列除塵器中心偏置，導致除塵器煙氣量分配不均勻，且除塵器進口與管道彎頭直接對接，可能造成進入電場的煙氣分布不均勻，對除塵效率有不利影響。電除塵器進口分風不均會導致氣流分布不均勻，直接影響除塵效率，并可能引發一系列運行問題，具體表現如下：
一、除塵效率下降
1、局部流速過高：
部分電場區域風速過大，粉塵在電場中的停留時間縮短，荷電不充分，未被有效捕集即排出，導致出口粉塵濃度升高。
2、局部流速過低：
低風速區域雖捕集效率高，但整體處理能力受限，且可能因粉塵堆積引發二次揚塵。
二、極板/極線磨損或腐蝕加劇
1、高速氣流區：
粉塵對極板、極線的沖刷磨損加劇，縮短設備壽命。
2、低速氣流區：
濕氣或腐蝕性氣體滯留，可能引發極板腐蝕。
針對以上工藝布置可能產生的問題，對電除塵器進行三維建模，分析問題產生的原因，并加以解決。
根據圖紙，對電除塵器（包含進出氣管道，殼體，氣體分布板，電場極板等）進行三維建模如下：
三維模型
注：in2與in3分別為兩列電除塵器的進口監測面。
計算參數及邊界
計算參數如下圖，進口采用速度進口，將煙氣量換算成進口速度為19.4m/s，出口采用壓力出口（pressure-outlet），出口壓力設定為0Pa，氣體分布板采用多孔跳躍邊界（porous-jump），并根據實際開孔率計算系數，近壁面處采用無滑移邊界條件。
進口煙氣參數
結果及分析
管道無導流
在管道無導流的情況下，電除塵器的模擬運行情況如下：
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