強制對流的案例
請問自然對流和強制對流的邊界層厚度怎么計算？
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？
1_內部強制對流基礎知識
管內的水通過內部強制對流將熱量傳遞到地板。在此過程中，水溫可能會下降幾度。為了正確設計這些系統，我們必須知道溫降，以便我們可以估計將水加熱回其初始溫度需要多少能量。在本專題中，我們將探索基礎知識并學習如何對內部流動進行熱分析。
1、內部流體中的速度場
? 當流體進入管道時，沿壁的邊界層開始在入口處形成。附近的層很薄，入口和粘性效應僅限于近壁區域。
? 邊界層隨著流體向下游流動而增長，直到最終層邊緣到達管道中心線，流動變得充分發展。
? 當流體向下游流動時，完全發展的速度剖面不會改變。
? 流動演變成完全發展狀態的長度稱為流體動力入口長度(??????,?).
? 速度剖面形狀和入口長度取決于流動是層流還是湍流。
?我們可以使用圓形管道的雷諾數來定義流動是層流還是湍流，并引入簡單的關系來估計水動力入口長度。
這里我們假定是完全的湍流，及x/D>10，在這個長度過后，入口處的影響對于實際的工程應用來說，可以被忽略。
2、內部流體中的溫度場
? 假設流體以低于管壁的溫度進入管道。在這種情況下，由于對流，熱邊界層將開始沿壁形成。
? 隨著流體向下游移動，熱邊界層增長。如果壁面處于恒定溫度或保持恒定的熱通量，則流體最終會完全熱發展。流動演變成熱完全發展狀態的長度稱為熱入口長度（??????，??）。
? 充分發展的熱剖面的形狀取決于壁面條件。流體溫度和入口溫度之間的溫差沿軸向變化。
?類似地，正如對速度場所做的那樣，我們可以將圓形管道的雷諾數用于流體動力入口長度。
?對于層流，熱入口長度可以長于或短于流體動力入口長度。事實上，根據普朗特數，熱邊界層可以比流體動力學邊界層生長得更慢或更快。
展開 2021年春季----電子產品散熱理論設計與ANSYS ICEPAK仿真實戰技術高級培訓班招生簡章
（Ra）數
-自然對流之瑞利（Ra）數的計算
-自然對流之什么是格拉曉夫數（Gr）數
-自然對流之格拉曉夫數（Gr）數的計算
-自然對流之鰭片（FIN）最佳間距（GAP）的計算
-初識熱對流的理論計算公式（牛頓冷卻定律）
-自然對流之垂直平板型（單板）換熱系數的計算（水平或垂直安裝）
-自然對流之垂直平板型（單板）換熱系數的計算（傾斜安裝）
-自然對流之垂直平板型散熱器換熱系數的計算（水平或垂直安裝）
-自然對流之垂直平板型散熱器換熱系數的計算 （傾斜安裝）
-自然對流之水平平板型（機箱頂面）換熱系數的計算（其他安裝方式）
-自然對流之水平平板型（機箱底面）換熱系數的計算（其他安裝方式）
-對流散熱之鰭片（FIN）傳熱性能的計算
仿真結合實例：
某自冷機箱的理論計算與熱仿真案例
2.強制風冷對流理論計算
-強制對流之鋁擠（平板）型散熱器（系統）的設計思路步驟
-強制對流之鰭片（FIN）最佳間距（GAP）的計算
-強制對流之鋁擠（平板）型散熱器換熱系數的計算（層流）
-強制對流之鋁擠（平板）型散熱器換熱系數的計算（湍流）
-對流散熱之鰭片（FIN）傳熱性能的計算
仿真結合實例：
某風冷機箱的理論計算與熱仿真案例
3.強制水冷對流理論計算
-強制對流之水冷板散熱器工藝簡介與內流道的形狀
-強制對流之如何評定水冷板流道尺寸的合理性
-強制對流之水冷板內流道換熱系數的計算-方形流道（直管）
-強制對流之水冷板內流道換熱系數的計算-方形流道（彎管）
-強制對流之水冷板內流道換熱系數的計算-圓形流道（彎管）
-強制對流之水冷板內流道換熱系數的計算-圓形流道（直管）
-強制對流之水冷板內流道沿程局部壓力損失的計算方法介紹
-強制對流之水冷板內流道摩擦系數
展開 CFD基礎課程系列: 第4章 熱的基本概念
4.3 自然對流和強制對流
流體的流動，根據其驅動方法，可分類為自然流動和強制流動兩種。
自然對流中不存在風扇或者泵的驅動因素，是由于流體的溫度差引起浮力驅動的流動。而強制流動是指由風扇，泵等外部因素驅動的流動。
比如，如圖4.4所示，注水容器經過一段時間的加熱后，底部的熱水由于浮力的作用開始從底部向上流動（a），這是自然對流。而如（b）所示，容器的水是在被棍棒攪拌的情況下（在外部因素的驅動下）流動的，所以是強制對流。
圖4.4 自然對流和強制對流
一般對強制對流來說，由于風扇等的驅動，流體的慣性力比浮力的影響要大得多。在很多場合，浮力的影響可以忽略。而在自然對流和強制對流同時存在的場合，不能忽略浮力的作用，在計算中必須考慮浮力的影響。
4.4 熱的傳遞形態
有3種熱的傳遞形態：熱傳導，熱對流和輻射。如圖4.5所示房間的熱加溫，感覺地板下地熱的溫暖是熱傳導，從制熱空調的暖風感覺到的溫暖是熱對流，從身邊的電爐/火爐感覺到溫暖是輻射。以下對熱傳導，熱對流和輻射再做一些詳細說明。
圖4.5 熱的傳遞形態
4.4.1 熱傳導
物體內的溫度不均一時，由于構成物質的原子或者分子（金屬的話還包含自由電子）的運動，產生由高溫領域向低溫領域的熱傳遞（傳遞）。這種熱的傳遞形態稱為熱傳遞。
比如，如圖4.6所示，手拿灌滿熱茶的鐵罐時會感覺到燙，這是因為鐵罐里的茶和拿鐵罐的手之間存在溫度差，通過鐵罐，產生了熱傳導。
圖4.6 由熱傳導引起的熱傳遞
溫度差相同時，物質的熱傳導率越大由熱傳導傳遞的熱量就越多。
展開 
傳熱學告訴你，如何快速為手機降溫
實驗工具來啦，一個防水手機、這是常溫水，為了增加對比參考，我再加一組風扇吹手機的實驗，就是空氣中的強制對流換熱，看看這樣與在水中降溫的效果還相差多少。手機打開個跑分的軟件，讓它開始高功率運行，和打游戲有類似的發熱效果，大約5分鐘后，手機溫度已達到了40攝氏度，差不多了，再高怕燒壞，借的手機，壞了還得賠。
下面進行第一組實驗。手機關機，不再讓它發熱，在空氣中自然散熱，咱們每隔30秒測一次，共測5次。30、60、90、120、150秒溫度分別是38.4度、37.5度、36.9度、36.4度、35.7度， 畫一個溫降曲線。
然后進行第二組實驗，在吹風下強制對流散熱。首先還是打開跑分軟件，讓手機溫度再次熱到40攝氏度，然后用風扇對著它吹，每隔30秒的溫度分別為37.2度、36.4度、35.3度、34.2度、33.9度，同樣畫出溫降曲線。
大家通過實驗結果可以看出空氣中的強制對流散熱效果明顯好，這就是你的電腦里面加了風扇的原因。
接下來就讓我們進行第三組水中的散熱實驗。同上繼續打開跑分軟件，讓手機溫度再次熱到40攝氏度，讓后將它放在常溫水中，測出來兩個時間的溫度分別為31.3度、29.9度已經達到常溫了，就沒必要再測第三次了。同樣畫出溫降曲線。
3組實驗完成了，同樣2分鐘后，手機在靜止的空氣中，自然在空氣中散熱的手機達到了35.7度，風扇吹得強制對流換熱是33.9度，在水中1分鐘的實驗中就已經達到了29.9攝氏度。理論加仿真加實驗，深刻理解了電子產品在水中散熱的優勢，以后再看到有人把手機放水里，就不會再出現這樣的烏龍了，還要給他點個大贊，行家。
這兩天查閱資料發現其實電子設備利用水散熱的應用早已有一段時間了，比如阿里巴巴為了解決服務器的散熱問題，就把數據中心放在了風景秀麗的千島湖中。把湖底幾十米的冷水抽上來，圍繞服務器循環，帶走熱量。
展開 ANSYS燈具散熱殼穩態熱分析-主分析文件
選用AL材料，對流系數是曲線值。在200℃及以上的熱導率是170W/m^2*K。
環境一：
設定環境溫度40℃，自然對流系數25W/m^2*℃。自然散熱面是去掉內側面的所有外側面。
發熱量在10個小燈珠區域，總計設為500W。熱對流只設置在外表面。對流系數25W/m^2*℃。
劃分網格，求解最高溫度。
初始溫度Initial temperature溫度設為22℃或者40℃結果最高溫度是130℃。
按照氣體強制對流設置參數80W/m^2*℃，結果最高溫度在75℃。
強制對流，發熱功率20W，最高溫度54℃。
自然對流，發熱功率20W，最高溫度76℃。
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結構二：
散熱貼緊面厚度從1.5mm增長到3慢慢厚，得出的計算結果。
最高溫度143℃（溫度增長13℃）。
設置氣體強制對流系數80W/m^2*℃，最高溫度為85℃。
展開 模擬各類對流傳熱問題的方法
文章開始的母線板示例中假設自然對流傳遞到外部空氣空間。這是使用以下熱流邊界條件建模的:
其中，外部空氣溫度為 Text= 25℃ ， 是傳熱系數。
這個單值傳熱系數代表了氣流中所有局部變化的近似值和平均值。即使對于這個簡單的系統，任何介于 之間的值都可能是一個合適的傳熱系數，我們應該嘗試邊界情況并比較結果。
如果我們知道有一個風扇向這個結構上吹空氣，由于更快的氣流，我們使用一個傳熱系數 來表示增強的熱傳遞。
如果周圍的流體是水之類的液體，那么自由和強制傳熱系數的范圍就要寬得多。對于液體中的自然對流 ， 是典型的范圍。對于強制對流，范圍甚至更廣:。
顯然，為自然對流或強制對流輸入單值傳熱系數是一種過于簡化的做法，那么我們為什么要這樣做呢？第一，實現簡單，容易比較最好和最壞的情況。第二，邊界條件可以使用 COMSOL Multiphysics 軟件的基礎模塊施加。盡管如此，但其實 COMSOL 的傳熱模塊和 CFD 模塊也可以模擬更復雜的情況，接下來讓我們看看。
使用對流換熱關聯式
對流換熱關聯式 是為常見的幾何結構建立的一個經驗關系。當使用傳熱模塊或CFD模塊時，這些相關性由熱通量邊界條件提供，如下圖所示。
使用外部自然對流關聯式的垂直壁熱通量邊界條件。
使用這些關聯式要求我們輸入零件的特征尺寸。例如，對于母線板模型，我們使用外部自然對流、垂直壁相關性并選擇 10 厘米的壁高來模擬母線板垂直面的自然對流熱通量。還需要指定外部空氣溫度和壓力。這些值可以從 ASHRAE 數據庫中加載，我們在
之前的文章“如何模擬房屋內的溫度變化”
中描述了這個過程，歡迎查閱。
展開 對流換熱系數
在不同的情況下，傳熱強度會發生成倍直至成千倍的變化，所以對流換熱是一個受許多因素影響且其強度變化幅度又很大的復雜過程。
對流換熱系數的大致量級：
空氣自然對流 5 ～ 25；
氣體強制對流 20 ～ 100；
水的自然對流 200 ～1000；
水的強制對流 1000 ～ 15000；
油類的強制對流 50 ～ 1500；
水蒸氣的冷凝 5000 ～ 15000；
有機蒸汽的冷凝 500 ～ 2000；
水的沸騰 2500 ～ 25000。
初學者 學習筆記
8， Icepak判斷湍流還是層流的依據：
在求解之前，Icepak會先判斷下問題是屬于強制對流還是自然對流。強制對流的話計算Re和Pe，自然對流的話計算Ra和Pr：如果 或者 就選擇紊流求解選項。Icepak缺省的是強制對流和層流。
9， 第一個事例中并未改變一些初始設置，其實都是可以改的，包括初始條件。第一個事例其實就是進口質量流量和出口壓力邊界條件，所以要初始給定速度條件和溫度。但是畢竟是fluent的特定版本，所以并沒有像fluent那樣可以補充定義（patch）流體域的初始值。事例中并沒有初始化整個流域中的速度和溫度分布，這會使求解所需的步驟很多，所以對于復雜的問題，最好初始化一下。比如這個事例大約為Z方向1m/s。并且icepak簡化的很嚴重，比如對于wall的換熱系數都給出了，其實這本是fluent求解的一部分。
10，在icepak計算的文件格式的為cas文件，這正是fluent文件，所以計算后可以在fluent中計算，或之前加入了邊界參數后就在fluent中計算，如果你熟悉fluent的話，而且利用fluent來改變求解精度是個不錯的想法。比如對于這個事例，熱源在icepak中直接給定功率，而導入到fluent中就變成了熱流密度，并且已經轉化好了，其實這都是icepak的適應電子設備要求的一些改變。
展開 有限元熱力學常見概念匯總
對流運動成因和流動狀態；
2. 流體的物理性質（隨種類、溫度和壓力而變化）；
3. 傳熱表面的形狀、尺寸和相對位置；
4. 流體有無相變（如氣態與液態之間的轉化）;
3.實例應用,
在不同的情況下，傳熱強度會發生成倍直至成千倍的變化，所以對流換熱是一個受許多因素影響且其強度變化幅度又很大的復雜過程;
4.對流換熱系數的大致量級：
空氣自然對流 5 ～ 25
氣體強制對流 20 ～ 100
水的自然對流 200 ～1000
水的強制對流 1000 ～ 15000
油類的強制對流 50 ～ 1500
水蒸氣的冷凝 5000 ～ 15000
有機蒸汽的冷凝 500 ～ 2000
水的沸騰 2500 ～ 25000
Emissivity(綜合輻射系數)
自然界中的各個物體都在不停地想空間散發出輻射熱，同時又在不停地吸收其他物體散發出的輻射熱，這種在物體表面之間由輻射與吸收綜合作用下完成的熱量傳遞就是輻射換熱。
輻射換熱是各種工業爐、鍋爐等高溫熱力設備中重要的換熱方式。常見的問題有兩類：固體表面間的輻射換熱，取決于輻射角系數F和黑度ε值；固體表面間夾有氣體的輻射換熱，除F和ε值外，還與氣體夾層厚度及其黑度有關。
展開 線上培訓 | Cradle CFD 熱流體仿真分析基礎培訓（2天）
5 日程及安排
第 一 天
時間
課程大綱
上午
CFD基礎介紹
scSTREAM軟件介紹
?了解scSTREAM的功能及一些典型的工程應用
下午
Workshop 1 立方體擾流分析
?熟悉scSTREAM GUI，了解scSTREAM的建模、計算及結果后處理方法
Workshop 2 電子機箱強制對流換熱仿真分析
?電子熱分析，包含風機模型、考慮輻射、翅片模型
第 二 天
時間
課程大綱
上午
Workshop 3 電子機箱強制對流
?強制對流分析
?添加輻射
?流動和換熱分開計算
--周期性加熱
下午
Workshop 4 手機的自然對流換熱
?自然對流分析
?采用多重網格進行分析
?HeatpathView熱路徑瓶頸診斷工具
(日程安排僅供參考，如稍有變動請以當天實際情況為準)
6 擴展資料
點擊領取資料：https://www.yqgqt.org.cn/software/45
展開 
仿真計算在FDM 3D打印機的設計改進過程中的作用
計算中的邊界條件設置如下所示：
圖1：邊界條件設置示意圖，來源安世亞太
這里我們重點關注的是輸料管中的溫度分布，而打印過程中影響其溫度分布的有兩處流體區域：
- 噴嘴頂端附近風扇形成的強制對流。
- 上部散熱結構及風扇附近的強制對流（例如圖2中青色與紫色網格區域）。考慮到計算成本和結果精確度，此次仿真重點考慮這兩處流體區域對溫度分布的影響。
計算對固體與流體的溫度場均進行了模擬，固體之間的熱傳遞為熱傳導模型，以公式?T=Q/KA計算，其中K為傳熱系數，數值大小由固體的材料決定，A為接觸面積，?T為接觸物體表面溫度差。固體與外界空氣接觸的墻面為自然對流，外部流場溫度取用腔體溫度。除此之外，噴嘴及散熱片附近的流場模擬為強制對流，氣體入口為風扇，出口為流體域邊界的標準大氣壓壓強出口。流體計算域中的噴頭壁面溫度與流體域的計算耦合。
圖2：網格結構圖，來源安世亞太
上文中提到，仿真結果需要體現輸料管中的溫度分布，故在后處理時對輸料管的溫度隨位置變化的曲線進行展示如下。
圖3: 輸料管內溫度曲線，來源安世亞太
結合打印材料的熱力學性質可以得出打印料材在管內的各相分布及溫度分布，如下圖所示。通過調整一系列設計，使輸料管內的溫度達到預期數值。
圖4: 輸料管內材料狀態分析圖圖5 噴頭溫度分布圖,來源安世亞太
總結來說，通過與物理實驗的結合，仿真計算在FDM機型的設計改進過程中有指導性的作用，它使設計人員更加細致的觀察打印機內部的特性變化，從而找到好的解決問題方案。同時，仿真計算避免了真實物理模型的建立，從而利于縮短研發周期。
張亦舒，安世亞太增材設計仿真部流體咨詢工程師，美國Colorado State University環境工程學士，環境流體力學碩士。
展開 Abaqus焊接仿真案例展示
Abaqus具有強大的熱固耦合分析功能，包括：
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穩態熱傳導和瞬態熱傳導分析；
n
順序耦合熱-固分析；；
n
完全耦合熱-固分析；
n
強制對流和輻射分析；
n
熱界面接觸接觸；
n
摩擦生熱等。
可以定義從簡單彈塑性模型到隨溫度變化材料常數的熱塑性、熱硬化性、高溫蠕變等復雜材料模型，來模擬金屬、聚合物、復合材料等電子材料的熱學和力學性質。
Abaqus焊接應用的優勢：
針對焊接多物理場過程，Abaqus提供強大的熱-固耦合分析功能，包括：穩態熱傳導和瞬態熱傳導分析，順序耦合熱-固分析，完全耦合熱-固分析，強制對流和輻射分析，熱界面接觸，熱-電耦合等。可以定義從簡單彈塑性模型到隨溫度變化材料常數的熱塑性、熱硬化性、高溫蠕變等復雜材料模型，來模擬焊接過程中金屬材料熱學響應和力學響應性能。
Abaqus包括51種純熱傳導和熱力耦合單元，83種隱式和顯式完全熱-固耦合單元，覆蓋桿、殼、平面應變、平面應力、軸對稱和實體各種 單元類型，包括一階和二階單元，為用戶建模提供極大的方便。
Abaqus在焊接領域的應用案例：
Abaqus廣泛應用于焊接的各個方面，可以解決進行焊接過程中如下方面問題進行分析：
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焊接過焊接過程中溫度場的計算；
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被焊工件應力應變計算；
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被焊工件變形分析；
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焊縫疲勞性能分析；
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焊接接頭殘余應力分析；
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焊接接頭微裂紋分析；
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焊接接頭氫擴散分析。
金屬焊接方法有40種以上，主要分為熔焊、壓焊和釬焊三大類。
基于熱彈塑性的Abaqus有限元法的計算方法
熔焊：
Abaqus解決方案：選用隱式求解器Abaqus/Standard進行順序耦合熱固分析。
展開 基于Fluent電磁流場散熱特性仿真
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。
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。
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。
展開 如何破解芯片封裝熱仿真技術“卡脖子”難題？
現階段，各類電子設備普遍采用強制空氣對流的方式來冷卻發熱器件，即通過在芯片上加裝散熱器將芯片散發的熱量傳遞到散熱片上，并加裝風機等設備增強空氣循環，將散熱器上的熱量帶走。
對于典型芯片封裝而言，主要的封裝熱阻包括 Die 結到環境（Junction-to-Ambient）的熱阻 Rja，結到殼（Junction-to-Case）的熱阻 Rjc和結到板（Junction-to-Board）的熱阻 Rjb。其中Rja與器件所處的環境有關，且器件規格書中的規定值一般為生產商基于標準環境測試，而往往實際應用環境和標準測試環境差別較大，Rja很難應用于芯片結溫預計，更多的應用于定性對比不同封裝芯片的散熱能力。因此，在實際應用時，更多的采用結殼熱阻Rjc和結板熱阻Rjb評價器件的散熱能力，由此便產生了雙熱阻模型。
在建立雙熱阻模型時一般做如下假設：
①結點熱量僅存在兩條散熱途徑：通過上表面傳遞到空氣中或散熱器上，通過下表面傳遞到PCB板上；
②上下表面為等溫面，不發生熱量傳遞；
③結點熱量不通過側面傳遞。
下面就來介紹一下如何使用云道智造“電子散熱模塊”進行“基于雙熱阻模型的芯片封裝中簡單強制對流換熱”仿真分析。
“芯片雙熱阻封裝的簡單強制對流換熱問題”仿真分析
1、模擬條件
本算例中建立了包括 1 個機箱、1 個 PCB 板、1 個雙熱阻封裝、1 個軸流風扇、1 個散熱器的簡單強迫對流換熱模型，目的在于雙熱阻封裝模塊的應用，便于熟悉雙熱阻封裝模塊的設置。穩態計算，不考慮輻射。軸流風扇固定流量為 2CFM，垂直出風。
考慮流熱耦合問題；
雙熱阻封裝模塊中，中心節點功耗為 3W；
環境溫度為 30°C。
2、幾何模型
利用軟件自帶的智能模塊，快速建立所需幾何模型。
展開 