Fluent散熱的案例
用Fluent進行電子器件散熱仿真分析，這些經驗不可不知
作者 ：張楊 流體高級工程師 仿真秀專欄作者
來源：仿真秀公眾號（ID:fangzhenxiu2018）
在使用Fluent軟件進行電子器件散熱仿真分析的過程中，我們不可避免的要對實際的各種零部件進行簡化和處理。不管是幾何層面、網格層面還是求解器設定層面，不同的部件都有相應的處理方法。下面就針對散熱仿真中的一些專用的設備（如風扇、格柵、擋板等）進行描述。
值得一提的是，如果條件允許，仍舊強烈推薦通用的電子散熱問題使用 Icepak 軟件進行仿真計算，因為其在各個方面的工作效率都遠高于Fluent（比如常用散熱設備的處理，Icepak 已經具備了基于對象的求解方法）。
一、散熱翅片
散熱翅片又稱翅片式散熱器，是氣體或液體熱交換器中使用最為廣泛的一種換熱設備，同時也是 Fluent仿真中電子散熱問題最為常見的設備。
圖1 散熱翅片是最為常見的散熱設備之一
對于散熱翅片，通常不需要做額外的處理，也不建議做模型的簡化。
如下圖所示，由于翅片本身在法向上尺寸較小，其他兩個方向尺度又大，所以部分工程師很容易聯想到通過無厚度壁面的方式，對翅片進行簡化，從而降低網格數量。但是散熱翅片本身直接與發熱體相連，溫度梯度大，對整個流場的溫度分布影響也較大，所以通常情況下，這是不允許的。
圖2 散熱翅片的兩種處理方式
圖3 散熱翅片的兩種處理方式（網格情況）
圖4 散熱翅片的兩種處理方式（求解結果）
通過測試算例可知，采用直接實體建模的工況與Shell殼導熱工況存在巨大的數據結果差別。翅片無厚度簡化過工況的散熱效果，要遠遠強于實體建模的情況（差別在4-5K左右）。
展開 用Fluent進行電子器件散熱仿真分析，這些經驗不可不知
張楊
仿真xiu專欄作者
在使用Fluent軟件進行電子器件散熱仿真分析的過程中，我們不可避免的要對實際的各種零部件進行簡化和處理。不管是幾何層面、網格層面還是求解器設定層面，不同的部件都有相應的處理方法。下面就針對散熱仿真中的一些專用的設備（如風扇、格柵、擋板等）進行描述。
值得一提的是，如果條件允許，仍舊強烈推薦通用的電子散熱問題使用 Icepak 軟件進行仿真計算，因為其在各個方面的工作效率都遠高于Fluent（比如常用散熱設備的處理，Icepak 已經具備了基于對象的求解方法）。
散熱翅片
散熱翅片又稱翅片式散熱器，是氣體或液體熱交換器中使用最為廣泛的一種換熱設備，同時也是 Fluent仿真中電子散熱問題最為常見的設備。
圖1 散熱翅片是最為常見的散熱設備之一
對于散熱翅片，通常不需要做額外的處理，也不建議做模型的簡化。
如下圖所示，由于翅片本身在法向上尺寸較小，其他兩個方向尺度又大，所以部分工程師很容易聯想到通過無厚度壁面的方式，對翅片進行簡化，從而降低網格數量。但是散熱翅片本身直接與發熱體相連，溫度梯度大，對整個流場的溫度分布影響也較大，所以通常情況下，這是不允許的。
展開 【經驗貼】用Fluent進行電子器件散熱仿真分析，這些經驗必須要知道！
前言
在使用Fluent軟件進行電子器件散熱仿真分析的過程中，我們不可避免的要對實際的各種零部件進行簡化和處理。不管是幾何層面、網格層面還是求解器設定層面，不同的部件都有相應的處理方法。下面就針對散熱仿真中的一些專用的設備（如風扇、格柵、擋板等）進行描述。
值得一提的是，如果條件允許，仍舊強烈推薦通用的電子散熱問題使用 Icepak 軟件進行仿真計算，因為其在各個方面的工作效率都遠高于Fluent（比如常用散熱設備的處理，Icepak 已經具備了基于對象的求解方法）。
散熱翅片
散熱翅片又稱翅片式散熱器，是氣體或液體熱交換器中使用最為廣泛的一種換熱設備，同時也是 Fluent仿真中電子散熱問題最為常見的設備。
圖1 散熱翅片是最為常見的散熱設備之一
對于散熱翅片，通常不需要做額外的處理，也不建議做模型的簡化。
如下圖所示，由于翅片本身在法向上尺寸較小，其他兩個方向尺度又大，所以部分工程師很容易聯想到通過無厚度壁面的方式，對翅片進行簡化，從而降低網格數量。但是散熱翅片本身直接與發熱體相連，溫度梯度大，對整個流場的溫度分布影響也較大，所以通常情況下，這是不允許的。
圖2 散熱翅片的兩種處理方式
圖3 散熱翅片的兩種處理方式（網格情況）
圖4 散熱翅片的兩種處理方式（求解結果）
通過測試算例可知，采用直接實體建模的工況與Shell殼導熱工況存在巨大的數據結果差別。翅片無厚度簡化過工況的散熱效果，要遠遠強于實體建模的情況（差別在4-5K左右）。
薄壁導流板
薄壁導流板簡稱擋板，其主要作用是場導向，終極目標是將散熱區域的流體流動最高效的應用起來，以達到調整流動方向、降低渦流（回流）和壓降、增強高溫區域流動的目的。
展開 如何使用 Fluent 軟件做好電子產品的散熱問題？
ANSYS Fluent軟件具備計算自然對流與強制對流的功能，無論計算區域是封閉的空間還是開放的。當然，Fluent并沒有設計一個專門的選項來區分自然對流與強制對流，就如同上文中所介紹的，他們通常都是同時存在的，只是占據的比重不一致。
通常情況下，流體仿真工程師通過對密度的模型和重力條件進行有區分的設定，來描述在流場中是否考慮自然對流；當然，在這之外可能還需要額外的一些參考條件設定來配合才能生效。Fluent 提供多種密度模型來描述自然對流，比較常用的有以下幾種：
■ Ideal gas 理想氣體
■ Incompressible ideal gas 不可壓縮的理想氣體
■ Boussinesq 波斯尼克密度模型
▲ 封閉空間的自然對流模型
熱輻射模型
Fluent 可以通過多種模型計算熱輻射。但其中適用于電子散熱仿真的模型，通常推薦使用S2S和DO兩種。
S2S原則上用于真空（零光學厚度）的熱輻射問題，因為它沒有考慮介質的散射、吸收等影響，屬于表面熱輻射問題。按照通常的概念，電子散熱的區域的流體介質幾乎都是空氣，而且空氣中的氧氣、氮氣等雙原子分子對各個波長的熱輻射都近似“透明”（絕大部分熱輻射都會穿透雙原子分子）。因此，在電子散熱問題中，S2S是優先選擇的熱輻射模型，它可以有效提升計算的精度，同時并不過大的增加計算的工作量。
▲ S2S 模型中視線因子計算方法
DO熱輻射模型在電子散熱仿真中，應用的時機相對較少。對比S2S模型，DO模型的計算原理更加細致，可以考慮所有介質對熱輻射的影響，是精度更高的物理模型。
展開 
利用FLUENT來求某散熱器流體的速率和壓力分布
作者在數值模擬的基礎是利CFD（Com－putationalFluid Dynamics計算流體動力學）技術對某軌道交通用發動機液壓油散熱器進行研究，力求液壓油散熱器流場分布更加合理，使散熱器具有更好的散熱效果。
數學模型由分析可知，散熱器內的流體是粘性牛頓型流體，且根據雷諾數可知為層流模型。在互不侵入的兩種流體分界面上，若不計入表面張力。則界面兩側任一點流體的速度和溫度應相等。即：V3流場分析利用ANSYS程序進行流場分析的主要步驟：（1）建立模型，確定問題區域；（2）確定流體的初始條件；（3）生成網格；（4）確定邊界條件；（5）設置分析參數；（6）求解。此處利用FLUENT來求某散熱器流體的速率和壓力分布，選擇單一流體進行流場分析。建立模型采用ANASYS公司的ICEMCFD軟件建立散熱器二維模型。并對入口、出口、壁面、流體分布區域進行初步定義。劃分網格采用四邊形網格對其進行網格劃分，在壁面邊界參數較大處對網格進行適當加密。模型設置由于本模型為小雷諾數模型，故選擇層流模式。定義邊界條件在散熱器入口處定義流體的密度及初始速度，設置壁面為無滑移壁面，設置散熱器出口為自由出口（outflow），定義流場區域。初始化與計算定義松弛因子及其他參數，初始化流場，定義收斂條件，并建立流動的流場，進行計算。
展開 高手拆招，如何使用 Fluent 軟件做好電子產品的散熱問題？
ANSYS Fluent 軟件具備計算自然對流與強制對流的功能，無論計算區域是封閉的空間還是開放的。當然，Fluent并沒有設計一個專門的選項來區分自然對流與強制對流，就如同上文中所介紹的，他們通常都是同時存在的，只是占據的比重不一致。
通常情況下，流體仿真工程師通過對密度的模型和重力條件進行有區分的設定，來描述在流場中是否考慮自然對流；當然，在這之外可能還需要額外的一些參考條件設定來配合才能生效。Fluent 提供多種密度模型來描述自然對流，比較常用的有以下幾種：
l Ideal gas 理想氣體
l Incompressible ideal gas 不可壓縮的理想氣體
l Boussinesq 波斯尼克密度模型
封閉空間的自然對流模型
熱輻射模型
Fluent 可以通過多種模型計算熱輻射。但其中適用于電子散熱仿真的模型，通常推薦使用S2S和DO兩種。
S2S原則上用于真空（零光學厚度）的熱輻射問題，因為它沒有考慮介質的散射、吸收等影響，屬于表面熱輻射問題。
按照通常的概念，電子散熱的區域的流體介質幾乎都是空氣，而且空氣中的氧氣、氮氣等雙原子分子對各個波長的熱輻射都近似“透明”（絕大部分熱輻射都會穿透雙原子分子）。因此，在電子散熱問題中，S2S是優先選擇的熱輻射模型，它可以有效提升計算的精度，同時并不過大的增加計算的工作量。
S2S 模型中視線因子計算方法
DO熱輻射模型在電子散熱仿真中，應用的時機相對較少。對比S2S模型，DO模型的計算原理更加細致，可以考慮所有介質對熱輻射的影響，是精度更高的物理模型。
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圖 19 殘差曲線圖 20 散熱效率及功率圖 21整體模型溫度圖 22 水道內部壓力圖 23 水道內部流速
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基于Fluent電磁流場散熱特性仿真
表2 方案一和方案二的仿真溫度對比
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。
圖7 方案二和方案三的溫度云圖
兩個方案計算出不同測溫點的溫度總結于表3。方案三各點溫度均高于方案二，說明將線圈盤專用風道的高度增加后，線圈盤的散熱效果有所減弱，進而影響到位于線圈盤下方的散熱片的散熱。
表3 方案二和方案三的仿真溫度對比
4 總結
通過運用Fluent計算流體動力學仿真，對電磁爐內部散熱結構的設計提供了思路，具體為：
（1）線圈盤與散熱片可采用分層放置的方式，即線圈盤放置于散熱片的上方，這樣可利用導風筋和聚風板的結構，形成線圈盤和散熱片專用風道，合理分配進風量，有利于發熱元件的散熱。
展開 ANSYS與FLUENT瞬態散熱模型對比
最近在做熱分析時，得到這樣一個ansys的算例——帶空金屬板冷卻的瞬態熱分析，使用fluent軟件進行了仿真，與ansys的結果做以對比。
問題描述如下：一長方形金屬板，板得長度為15cm，板得中央是一個半徑為1cm的圓孔。板得初始溫度為500℃，將其突然放置于溫度為20℃，表面傳熱系數為100W/(㎡*℃)的流體介質中，試計算：
1）第1s及第50s這兩個時刻金屬板內的溫度分布；
2）金屬板上4個頂點在前50s內的溫度變化（本文只取左上角點A，如圖1所示）。
該金屬板得基本材料性質如下：
密度為5000kg/m3，比熱容為200J/(kg*℃)，導熱系數為5W/(m*℃)。
圖1
對于這個問題，模型比較簡單，本文對其操作步驟不再詳述，重點在對比ansysy和fluent的仿真結果上。
圖2
圖3
從上圖中可以看出，Ansys的分析結果：1s時，A點的最大溫度為499.999℃，最小溫度為464.98℃；50s時，最大溫度為437.713℃，最小溫度為270.812℃。Fluent仿真結果：1s時，A點的最大溫度為499.99℃，最小溫度為465.37℃；50s時，最大溫度為437.4℃，最小溫度為275.72℃。從上面的兩組數據可以看出，兩種軟件的結果是吻合的，相差在1%左右。
圖4
從上圖中可以看出，ANSYS和FLUENT的結果趨勢完全吻合，最大相差4%。
針對兩款軟件對此問題的求解的結果的差別，或許是求解方式上的差別，ansys是基于有限元的求解方法，fluent是基于有限體積的求解方法。
展開 Fluent 滑移網格+高鐵制動盤制動過程散熱仿真(一)
上一節已經展開了動網格制動盤散熱過程的教學，因此本節展開滑移網格的耦合教學。
1 workbench 設置
本案例分為三個模塊，其中分別是滑移網格運動區域，固體結構和外部靜止域。
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
與Fluent 動網格+高鐵制動盤制動過程仿真(一)一致，因此不做過多闡述：
固體域區域需要注意，各部分命名如下圖：
2.2 網格設置
采用Fluent meshing進行網格劃分，增加固體域網格劃分，不做過多闡述：
3 FLUENT 設置
3.1 General設置與網格導入
首先導入網格，由于是三部分網格，因此需要通過附加case的方式，將其余兩部分網格導入，然后勾選穩態計算，具體設置如下圖所示。
展開 Ansys fluent16.0流固耦合散熱仿真
穩態求解：風扇用MRF模型，在cell zone conditions中勾選Frame motion，設置好旋轉中心和轉速；
一、流固耦合交界面處理方法：
1、在SCDM中設置共享拓撲；
2、打開fluent meshing，軟件自動生成contact，每個接觸重命名為interface，在fluent中會自動生成交界面；
3、把自動生成的contact刪除，單獨命名各個接觸面為interface，之后在fluent/mesh interfaces中手動匹配；
4、將接觸的part進行form new part操作，之后就不用進行交界面的耦合操作（共節點）；
二、常見報錯：
1、 does not support overlapping geometry in contact region;
2、 does not support overlapping geometry in named sections;
第一種報錯是因為有一個面被設置在了多個接觸對中，檢查接觸面，刪除重復接觸面；
第二種報錯是因為有一個面被重復的命名，檢查named section，刪除重復命名截面；
展開 
操作教程 | FLUENT散熱器熱輻射模擬
啟動FLUENT并導入網格
（1）在Windows系統下執行“開始”→“所有程序”→ANSYS 2022→Fluid Dynamics→Fluent 2022命令，啟動Fluent 2022。
（2）單擊主菜單中File→Read→Mesh命令，導入.msh網格文件。
2. 定義模型
單擊命令結構樹中General按鈕，彈出General（總體模型設定）面板，Solver中Time選擇Steady。勾選Gravity，在Z中填入-9.81m/s2。
3. 設置材料
單擊主菜單中Setting Up Physics→Materials→Create/Edit，彈出Create/Edit Materials（材料）對話框。單擊Fluent Database按鈕彈出Fluent Database Materials對話框，選擇water-liquid單擊Copy按鈕確認。
4. 設置能量方程
在模型設定面板，激活能量方程。
5. 設置湍流模型
在模型設定面板Models中雙擊Viscous按鈕，彈出Viscous Models對話框，勾選Realizable k-epsilon模型。
6. 設置邊界條件
（1）單擊主菜單中Physics→Zones→Boundaries按鈕啟動的邊界條件面板。
（2）在邊界條件面板中，設置inlet的參數如下圖所示。
（3）設置wall-fluid_domain的參數如下圖所示。
（4）設置wall-solid_fin的參數如下圖所示。
7.
展開 33 Fluent實用案例 | 動網格高鐵制動盤制動過程散熱仿真
中，相關設置與 Fluent 動網格+高鐵制動盤制動過程仿真(一) 一致，固體域所有網格選擇lc的udf。
基于Fluent的散熱仿真分析在FDM桌面機上的應用
本期增材專欄，基于某款FDM桌面機對其整機成型腔室的溫度進行散熱仿真分析，以獲得其整個成型腔室內部溫度分布狀況，同時對其散熱結構進行了相應的優化，獲得原方案和優化方案的對比結果，為后期產品的設計改進提供了參考依據。
FDM桌面機模型簡化處理
FDM桌面機主要由腔室框架、噴頭系統、送絲系統、運動結構、加熱系統、成型平臺以及其他附件等部分組成，具體可參見圖1所示。FDM桌面機整機模型結構比較復雜，在仿真計算中，需要把一些對整機成型腔室溫度仿真分析影響不大的部件進行忽略。
圖 1某FDM桌面機整機模型
圖 2某FDM桌面機簡化后模型
在本文仿真模型中，只考慮腔室框架、噴頭系統、送絲系統、部分運動件和成型平臺，腔室框架內：上壁板以頂蓋為邊界做模型簡化，去掉加強筋；下壁板以成型平臺為邊界簡化為平面；送料電機按外殼形狀做簡化，風扇按外殼形狀簡化為方塊體，具體可參見圖2所示。
同時對一些結構（比如噴頭系統）進行模型簡化。噴頭系統按噴頭保護罩形狀簡化，不考慮內部風道與結構，按照柵格面積折算表面開口大小，具體可參見圖3和圖4所示。
圖 3簡化前噴頭幾何模型
圖 4簡化后噴頭幾何模型
散熱仿真模型的建立
整個仿真模型是基于仿真軟件Fluent19.2進行搭建，由于結構復雜，使用四面體劃分網格，在細小結構附近采用小尺寸1mm捕捉曲率變化,模型中最小間隙尺寸為2.5mm,這樣保證小間隙內至少有2層網格。網格總數為4031335，最大網格畸率為0.848,網格質量過關，具體可參見圖5所示。
展開 34 Fluent實用案例 | 滑移網格高鐵制動盤制動過程散熱仿真
上一節已經展開了動網格制動盤散熱過程的教學，因此本節展開滑移網格的耦合教學。
1 workbench 設置
本案例分為三個模塊，其中分別是滑移網格運動區域，固體結構和外部靜止域。
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
與 Fluent 動網格+高鐵制動盤制動過程仿真(一) 一致，因此不做過多闡述：
固體域區域需要注意，各部分命名如下圖：
2.2 網格設置
采用Fluent meshing進行網格劃分，增加固體域網格劃分，不做過多闡述：
3 FLUENT 設置
3.1 General設置與網格導入
首先導入網格，由于是三部分網格，因此需要通過附加case的方式，將其余兩部分網格導入，然后勾選穩態計算，具體設置如下圖所示。
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