換熱模型的案例
FLUENT內置換熱器模型應用指導 heat exchanger ￥28
FLUENT 換熱器模型的基本概念 4
四 . FLUENT 換熱器模型的簡單應用 7
五. FLUENT 換熱器模型在新風一體機冷凝器上的應用 1 0
六. 附錄 13
文檔名稱:
FLUENT 內置換熱器模型應用指導
頁數: 第 4 頁 共 13 頁
摘 要：
本指導書介紹了FLUENT 換熱器模型 (Heat Exchanger) 的基本分類和它們的應用限制。通過一個 簡單的例子說明了換熱器模型應用的基本流程。而實際情況下，換熱器模型復雜，FLUENT 自帶的換 熱器模型已經滿足不了我們的實際需求。因此通過閱讀大量文獻，找到相應的傳熱關聯式，講解了有 相變換熱器計算的基本流程。最后通過 UDF，模擬了新風一體機的冷凝器。計算結果和用 CoilDesigner 模擬的結果一致性較好。
關鍵詞：
CFD 換熱器 效能-傳熱單元數法
縮略詞解釋
CFD： HTC： ε-NTU：
UDF： SEM:
計算流體力學
傳熱系數
效能-傳熱單元數
用戶自定義程序
simple-effectiveness-model
一. 基本介紹
在以往對空調機組進行 CFD 計算的時候，僅僅計算了速度場，而溫度場幾乎沒有涉及到。由于制 冷劑在換熱器中會有兩相狀態，銅管各個地方的換熱能力不一樣，這就增加了計算溫度場的難度。
展開 多物理場仿真驗證創新模型，助力提升換熱器效率
緊湊式換熱器具有尺寸小、效率高的特點，在暖通空調、核電和電子設備等眾多領域得到廣泛應用。為了不斷提高其傳熱效率，并減少裝置中的壓降，人們通過大量研究探索了諸如在設計中增加變形壁等創新概念。借助 COMSOL Multiphysics? 軟件，您可以在設計進程中對各式動態壁換熱器進行評估。
利用動態壁改進緊湊式換熱器
與其他換熱器相比，緊湊式換熱器單位體積的傳熱面積要大得多，這通常歸功于密集的板片或換熱管陣列。這一特點使得它比傳統的換熱器重量更輕、結構更緊湊。不過，體型較小的換熱器存在一個缺陷——即壓降較高，這一缺點會限制流體的流動速度與換熱器的傳熱量。
板框式換熱器的示意圖，這是一種常見的緊湊式換熱器。
研究人員探究了一個問題：是否可以使用動態壁來改善緊湊式換熱器的性能？在動態壁變形時，所產生的振動有利于流體混合并減小熱邊界層的厚度，從而使換熱器能夠傳遞更多熱量。此外，振蕩可產生類似于蠕動泵的泵送效果。這就減少了換熱器的壓力損失，提高了換熱器的效率。
振蕩也許是提高緊湊式換熱器性能的有效方法。為了測試這一想法，我們可以使用 COMSOL Multiphysics 輕松地創建與檢驗動態壁換熱器的模型……
COMSOL Multiphysics? 中的換熱器流-固耦合（FSI）建模
首先，我們模擬了沒有動態壁的靜態換熱器，便于比較換熱器的兩種不同設計。
靜態換熱器的模型幾何包括頂壁、底壁和通道。流體（此例中為水）流經通道，由于底壁被施加了熱通量，因此流體溫度平穩升高。我們將壁的傳熱速率設定為 125 W。出口處的探頭決定了水離開換熱器時的溫度和質量流率。
靜態換熱器的幾何結構。
展開 仿真模型 | 圓柱鋰電池表面自然對流換熱系數仿真估算
仿真模型
導語
據悉，為研究鋰離子電池熱特性機理，針對電池表面自然對流換熱系數展開研究，通過實驗得到了電池基本生熱參數并以此建立了單體鋰離子電池生熱模型，仿真分析了恒溫條件下不同放電電流的表面自然對流換熱系數。
鋰離子電池因其高比能量特性而被廣泛應用于電動乘用車輛，其使用壽命受到自放電率、溫度等因素的制約。
研究發現，鋰離子電池舒適溫度需要控制在20~35 ℃之間，溫度過高時，其不可逆反應加劇容易產生自放電、熱失控等安全事故；溫度過低，則會使其容量和功率發生明顯下降。
因此，為了改善電動汽車單電池及電池成組后的安全性能，需建立較精確熱仿真模型，以此來預測動力鋰離子電池內部溫度分布狀況及熱傳遞過程，從而精確分析出鋰離子電池熱失控因素。
01
導讀
目前，國內外均針對鋰離子電池熱模型和熱行為進行了相關研究。早期美國D.Bernardi等[1]通過研究電池溫度特性提出了電池生熱率模型，之后通過研究人員的不斷發展研究，鋰離子電池熱模型已經呈現多維度趨勢發展；
Chen等[2]通過研究電池三維分層電化學-熱耦合模型仿真驗證了單體電池和成組電池包溫度分布的真實性；Lopez等[3]通過熱濫用模型實驗驗證了圓柱電池熱響應能力比棱柱電池小；Chacko等[4]將電-熱模型應用到恒流勻速和變電流工況中，研究發現變電流對電池溫升影響較高。
本文在前人研究基礎上，突破傳統仿真中將對流換熱系數、電壓溫度系數設定為常數，通過變化的電壓溫度系數來估算對流換熱系數，以此來達到更高的溫度仿真精度。
展開 Fluent能夠做的事
首先是流動，fluent提供了非常豐富的流動模型，不僅可以模擬層流，同樣還可以模擬湍流，其中湍流提供了很多的模擬，比如著名的k-ε模型、Spalart-Allmaras 模型、k-ω模型、雷諾應力模型（RSM）、大渦模擬模型（LES）等。模型的選擇和工況有關，當模型選擇不合適的時候，計算結果可能不那么精確。
其次是傳熱，fluent模擬傳熱時，只需要將能量方程選項打開，就能夠模擬熱傳導的熱對流了。但是如果想要模擬熱輻射，則需要單獨打開輻射換熱模型。輻射換熱也分了很多種類，在此不細說了。總是涉及到換熱和流動的，fluent基本都能夠模擬。同時fluent還專門提供了換熱器模型，當你需要對換熱器進行模擬時，可以打開這個模型
fluent還可以模擬多相流，fluent提供了比較多的多相流模型，比如VOF模型（適用于分層流、自由面流動、晃動、大氣泡流動、噴射衰竭表面張力預測等等）、混合模型（適用于氣泡流、粒子負載流、沉降及旋風分離器）、歐拉多相流是比較復雜的流動（適用于顆粒懸浮、流化床等）。
fluent還提供了離散型模型，用于模擬顆粒的流動，主要有DPM模型（稀疏的顆粒流動）、DDPM模型（稠密的顆粒流動）、PBM模型（使用歐拉方法求解顆粒流動）
傳質問題，fluent可以使用不同的方法模擬蒸發、冷凝、凝固、融化，自帶的求解器也能夠解決這樣的問題。
同時fluent組分輸運模型可以用來模擬化學反應，主要用于模擬燃燒過程
fluent能夠求解電勢方程，模擬電鍍、腐蝕、流體電池等問題，還可以模擬靜電除塵問題。
展開 
矩形環梁傳熱CFD模擬
建立換熱模型如下：
傳熱結果如下：
整體傳熱云圖
環梁傳熱云圖
壓縮空氣進出口的溫度變化為：
說明：
壓縮空氣進口為直徑100mm的圓，進口速度8m/s，溫度300k，常壓。
Mixture 和用戶自定義函數UDF 計算液體蒸發換熱 ￥20
混合模型典型應用場景為沉降、旋風分離、泡狀流等
必須使用分離式求解器
不能用在沿流動方向的周期性流動
不能用大渦模擬
不能用無粘流動
不能用二階隱式時間格式
光滑直管內液體蒸發換熱模型
二維光滑圓管，飽和壓力0.57MPa
管壁熱流密度10kw/m2
進口質量流量288kg/m2s
使用UDF定義
蒸發飽和溫度；汽化潛熱；管壁熱流密度；管徑；飽和蒸汽焓
干度沿管程變化規律
向氣相轉移的質量
耦合UDF
定義多相流模型為mixture
設置質量和能量源項的UDF
展開 【技術貼】AVL CRUISE M整車能量管理應用流程
可以基于需求，搭建不同詳細程度的模型，電芯級、模組級以及整包級，來模擬電池內部的熱管理回路，從而實現電池溫度監測和控制。
AVL CRUISE M支持從三維CFD模型轉為1D詳細的熱網絡模型，不僅能夠提高一維熱管理模型建模效率，而且能夠提高模型精度。
對于電機熱網絡模型，同樣支持3D轉1D的熱管理模型建模。也支持基于AVL CRUISE M中模塊搭建相應的模型。
以水冷電機為例，水冷電機熱管地路徑為：軸-軸承-轉子-定子-殼體-冷卻水套，將每個發熱環節、傳熱路徑離散出來，以傳熱質量塊的形式，模擬分析各個熱源之間熱傳遞路線。然后，搭建冷卻回路模型，與各個熱質量塊進行換熱。
第三步：整車空調系統建模
對于純電車而言，空調系統對高溫和低溫的續航影響很大，研究表明，低溫下，AC ON會導致續航里程40%左右的降低，有必要搭建詳細的空調系統模型，在虛擬環境下優化空調系統的策略，保證舒適性和經濟性。空調系統主要包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器、儲液罐、高低壓管路電氣控制裝置等零部件系統。一般空調實現的功能是制冷，但是可以通過一個四通換向閥將冷凝器和蒸發器功能互換，實現制熱，也就是熱泵模式。
如上圖，為控制制冷模式和熱泵模式，在制冷劑回路中通過冷凝器冷凝方法，蒸發器蒸發吸熱實現客艙內部和外部環境之間的熱交換，從而實現客艙的降溫和采暖的功能。在整個回路會涉及到制冷器與空氣的換熱，制冷劑與電池冷卻回路換熱，AVL CRUISE M中換熱器模型方便搭建此換熱模型，并基于VLE calibration自動標定工具自動標定蒸發器或者冷凝器的換熱量。
除此之外，還需搭建乘客艙模型，模擬與空調系統耦合，對整個降溫采暖，混風控制，鼓風機風量進行模擬。
展開 Fluent筆記總結1
耦合解法器沒有的模型包括：多相流模型，混合分數/PDF燃燒模型，預混燃燒模型，污染物生成模型，相變模型，Rosseland輻射模型，確定質量流率的周期性流動模型及周期性換熱模型等；
4.
對于薄壁換熱，Fluent提供三種方案解決此類問題：
1. 直接創建有厚度的壁面；
2. 在邊界參數設置時，指定壁面厚度與材料；
3. 利用shell conduct模型；
5. 在Wall設置中Free Stream Temperature為壁面流體側遠處自由流動的溫度；
6. 在計算固體間傳熱時，在Equations不選Flow，因為此時不涉及流場計算；
7. Internal Emissivity設置壁面材料的發射率；
8. 若溫度差別很小（<1K），溫度云圖雖然顏色不同，但是標尺值相同；
9. VOF模型中Level set為界面重構法；
10. 輻射模型中：S2S模型并不會考慮對流體介質的輻射作用，因此材料參數中并不包含流體材料的熱輻射參數。但是流體材料會參與熱傳導計算；
11. 取消Flow方程選擇，意味著不計算流體流動，但是仍然會考慮導熱；
12. 瑞利數：Ra=gβ△TL^3*ρ/μα，對于空氣，α=0.000024m2/s，β=0.00367；當Ra>1e8時，為湍流自然對流；
13. 數值耗散存在所有流動問題，其來源于截斷誤差，盡量采用二階離散格式；當流動方向與網格方向一致時，數值耗散最小；
14.
展開 AVL
對水套的優化分析我們有一整套完備的know-how, 包括：
·如何分區生成網格以便于調整氣缸墊孔徑大小， 快速實現流量分布的優化；
·近壁網格層數的選取；
·軟件中還預設了針對水套的計算參數模板文件；
·在準確預測熱傳導方面，FIRE可與NASTRAN等結構分析軟件進行耦合計算，除有對流換熱模型，還考慮某些局部的沸騰換熱，以算出準確的傳熱和溫度場；
·FIRE 先進的多相流模塊使準確計算冷卻水灌注的瞬態過程成為可能，這類模擬分析有助于預測水套中殘存氣泡的部位，以修改結構排除局部過熱的隱患。
b.柴油機缸內噴霧燃燒
由于柴油機多采用螺旋式氣道，在能給出適當的初始渦流比，初始湍流條件的情況下對缸內流動燃燒分析往往可從進氣門關閉開始，這樣就可避免在計算模型中包含進氣道及氣門運動，大大簡化計算模型并縮短計算時間。AVL在針對不同規格柴油機設定初始條件等方面有大量的技術know-how, 有些已寫入手 冊，有些通過技術 支持可確保用戶獲得。
c.HCCI燃燒
FIRE領先推出HCCI燃燒模型，國內已有用戶成功應用FIRE進行直噴式汽油機HCCI燃燒研究，論文于2003年初在SAE上發表。
d.發動機進排氣系統
由于采用先進的網格生成技術，靜態進氣系統的建模過程可在一小時內完成。排氣管內除一般的流動傳熱分析外，FIRE還有專門的尾氣處理模塊對三元催化轉化器內的流動，傳熱及排放物的轉化進行模擬計算。國內也有FIRE用戶成功進行催化器CFD模擬和試驗研究。
數據接口及并行計算
與通用CAD軟件，其他網格生成器，求解器，后處理器都有相應的接口。并行計算能力適用于SMP(共享內存多處理器)系統，對DMP(分散內存多處理器系統)采用MPI技術進行并行計算。
展開 積鼎CFD VirtualFlow 基于熱限制相變和流固耦合模型的冷板共軛傳熱相變仿真
本文將利用積鼎通用流體仿真軟件VirtualFlow對水平冷板的共軛換熱進行模擬，主要涉及相變過程的流動和傳熱傳質問題，通過分析為高熱流電子設備散熱設備設計提供指導。仿真過程將用到VirtualFlow自主開發的熱限制相變模型和流固耦合模型。
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01 熱限制相變模型
飽和溫度相變模型，即界面兩側流體對界面的熱擴散正好被相變潛熱抵消。使用該模型的時候，需要確保界面處的網格足夠小，以保證流體網格中心與界面之間的換熱計算是準確的。
02 耦合模型
計算流固耦合傳熱問題的首要問題是建立界面兩端的溫度與熱通量之間的關系，使耦合求解流體域和固體域的溫度場成為可能。
貼體網格的情形，流固界面和網格界面正好重合，可由下面的公式建立界面兩邊網格溫度與界面熱通量的關系:
VirtualFlow引入IST技術，使用笛卡爾網格，以非貼體的方式描述任意復雜界面，流固界面與網格之間界面不重合。以下是VirtualFlow的處理方式。
一般VirtualFlow中，通過Heaviside階梯函數打開或者關閉特定區域的流場求解。當共軛傳熱模塊關閉時，階梯函數H在流體域內為1，在固體域內為0（如果不打開TSolid功能）。當開啟共軛傳熱模塊時，階梯函數H為固體階梯函數和流體階梯函數的復合，即在全體計算域內皆是1，因此固體和流體內的溫度場同時求解。
展開 手把手教你做小型除濕機的設計和壓縮機仿真分析！！
我們從原理上可以，如果該一體式除濕機在密閉式空間，隨著時間的推進，房間內的空氣溫度會逐漸升高的，這是由于制冷系統內的制熱量會大于制冷量所決定的。
二、設計要點
小型家用除濕機裝置基本是按照家用空調去做設計的，其制冷系統可以參考以下的思路進行設計和模擬仿真：
制冷劑：通常采用R410A比較多。
壓縮機：與家用空調壓縮機基本相同，采用轉子式壓縮機，品牌主要可以采用海立轉子式壓縮機；可以根據樣本資料，輸入排量進行壓縮機的仿真。
冷凝器：采用翅片管式換熱器，Vapcyc軟件可以導入Coildesigner的換熱器模型進行仿真計算；
節流結構：目前小型家用除濕機采用毛細管和電子膨脹閥比較偏多。
蒸發器：采用翅片管式換熱器，Vapcyc軟件可以導入Coildesigner的換熱器模型進行仿真計算；需要注意的是，Vapcyc導入蒸發器模型的時候，需要考慮蒸發器的潛熱負荷，可以選用如下帶潛熱負荷的蒸發器模型：
管道模型：
一體式的除濕機管道都比較偏短，一般的仿真模型中我們可以不考慮管道的影響，如果是需要做系統的優化，建議考慮增加吸氣、排氣、液管的管道模型。
三、設計案例分享
今天我們給大家展示1.2kg/h的小型家用除濕機實際設計與試算的過程與Vapcyc仿真模型的建立案例，給各位學員在實際的設計中提供參考意見：
第一步：四大件選型與參數：
在小型家用除濕機的設計中，我們可以根據除濕量來反推壓縮機的制冷量，進而反推出壓縮機的排量，然后根據排量來進行選擇合適的壓縮機。
展開 
如何破解芯片封裝熱仿真技術“卡脖子”難題？
“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。
雙熱阻封裝算例幾何模型
雙熱阻封裝算例模型樹
3、仿真分析
3.1 網格剖分
本次采用默認Region-based網格劃分方式；
調整全局網格和局部網格設置；
全局網格設置
該案例中主要對重要器件進行局部網格設置，平面方向主要控制最大尺寸，厚度方向則是設置最小網格數，如芯片、板卡等。
局部網格設置
選擇【網格剖分】菜單下的【笛卡爾網格】，點擊進行網格剖分；
網格剖分完成后，選擇【載入網格】，可在【檢查網格】窗口中查看網格質量。
本次模型利用非結構化六面體網格剖分，長寬比33.3，非正交網格大于70的面個數為零，畸形度大于4的面個數為零，網格質量良好，滿足流熱耦合計算要求，如下圖所示。
3.2 模型與求解設置
電路板與雙熱阻封裝的屬性設置
求解設置
3.3 計算結果
本分析類型為穩態、流熱耦合計算。
展開 CFD專欄丨氣體存儲一維CFD仿真
在加注過程中，流量的大小、充氣的壓力、儲氫罐的容積、形狀，以及氫氣和容器內壁面的對流換熱強弱決定了溫升的快慢。
CFD仿真模型如果用單一的換熱系數會產生較大偏差。因此，在Flow Simulator中我們采用前饋控制器(Feed Forward Controller)對流換熱系數(HTC)進行修正，并和實驗結果進行對比。
氫氣加注實驗裝置參數
氫氣加注原理圖
氫氣加注原理圖
氫氣加注一維CFD模型
前饋控制器輸入表格，控制加氫的流量。
氫氣流量隨時間的變化量
在前饋控制器中Gauge Variable是要監測的物理量，比如氣體的密度、粘度、比熱等等，Manipulated Variable是要控制的變量，比如HTC。
在Relation中用Python腳本定義物理量的表達式，無需編譯。
前饋控制器參數設置
Flow Simulator模型時間步長=0.25秒，總時間240秒。
展開 如何實現從PRO/II向Aspen HTFS（EDR）傳遞數據
對于Simsci來說，不像Aspen one套件里面有EDR(以前的HTFS+)專門用于換熱器設計的計算軟件。固然，PRO/II內有嚴格換熱器模型，但是該模型只是核算型模型。所以，可能在做換熱器設計的時候往往需要借助于第三方軟件，如HTRI或EDR(HTFS)等。如EDR是aspen公司的軟件，往往一般的辦法是，把PRO/II換熱器流股數據手動又在EDR里面再輸入一遍，然后利用EDR內的物性參數再重新進行計算，費時費力。特別是遇到PRO/II中用到aspen中沒有的物質需要自定義，而我自己遇到的一種情況是PRO/II內的流股有超過60中組分，而EDR只允許輸入50種，這咋辦呢？ 我們先來看看EDR，從簡單來講，EDR一個最重要的功能就是利用所提供的物性參數以及換熱器傳熱介質的各種特征計算出合適的傳熱系數，同時還可以取污垢系數為傳熱系數打折。實際上，在我們手工對管殼式換熱器進行概算的時候，利用對數平均溫差、經驗的總傳熱系數以及換熱量，往往也可以估算一個大概的換熱面積來。EDR有個功能就是，冷熱介質可以采用用戶直接輸入介質的物性參數如導熱系數、熱容、粘度、表面張力等來實現計算，而并不在乎組成如何。所以，可以在EDR導入PSF文件來實現。
在PRO/II的高版本里，已經提供了一個借口來生成EDR需要的PSF文件，從而實現PRO/II向EDR傳遞數據。下面來說說如何實現。
首先建一個流程，這個流程里有一個換熱器，必須還有一個 HCURVE組件，見下圖。
雙擊HCURVE，進入設置，這里面可以選擇流股。也可以選擇換熱器，這里我們選擇換熱器，PRO/II會根據換熱器的進出口情況對流股物性參數內插數據。如下圖。如果是選流股時，則之后需要設定溫度和壓力范圍再進行內插計算。
展開 如何破解芯片封裝熱仿真技術“卡脖子”難題？
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。
雙熱阻封裝算例幾何模型
雙熱阻封裝算例模型樹
3.仿真分析
3.1 網格剖分
本次采用默認Region-based網格劃分方式；
調整全局網格和局部網格設置；
全局網格設置
該案例中主要對重要器件進行局部網格設置，平面方向主要控制最大尺寸，厚度方向則是設置最小網格數，如芯片、板卡等。
局部網格設置
選擇【網格剖分】菜單下的【笛卡爾網格】，點擊進行網格剖分；
網格剖分完成后，選擇【載入網格】，可在【檢查網格】窗口中查看網格質量。
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