對流換熱分析的案例
【AICFD案例教程】IGBT對流換熱分析
AICFD是由天洑軟件自主研發(fā)的通用智能熱流體仿真軟件，用于高效解決能源動力、船舶海洋、電子設(shè)備和車輛運(yùn)載等領(lǐng)域復(fù)雜的流動和傳熱問題。軟件涵蓋了從建模、仿真到結(jié)果處理完整仿真分析流程，幫助工業(yè)企業(yè)建立設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化相結(jié)合的一體化流程，提高企業(yè)研發(fā)效率。
一、概 要
1）案例描述
本案例針對功率模塊進(jìn)行流熱固耦合仿真。
① 模型簡化：選取整個模型1/6，基板下側(cè)增加水冷盤管和水路；
② 載荷：考慮芯片(每塊體積為25.35 mm^3)的產(chǎn)生的焦耳熱，總功耗均分到每個芯片中，施加體積熱源。案例最后可查看溫度分布和速度流線圖。
③ 邊界條件：水側(cè)對流換熱，入口速度8m/s。
2）網(wǎng)格
一階四面體網(wǎng)格，單元數(shù)8779036，節(jié)點(diǎn)數(shù)2233260。
圖1-1 網(wǎng)格模型
二、網(wǎng) 格
1）新建工程
① 啟動AICFD 2023R2；
② 選擇 文件>新建，新建工程，選擇工程文件路徑，設(shè)置工程文件名，點(diǎn)擊“確定”。
圖2-1 AICFD窗口
圖2-2 新建工程
2）網(wǎng)格導(dǎo)入
單擊菜單欄網(wǎng)格>導(dǎo)入網(wǎng)格，導(dǎo)入外部生成的計(jì)算域網(wǎng)格。
圖2-3 網(wǎng)格導(dǎo)入
3）網(wǎng)格質(zhì)量檢查
單擊菜單欄 網(wǎng)格>網(wǎng)格質(zhì)量，檢查網(wǎng)格質(zhì)量。
圖2-4 網(wǎng)格質(zhì)量檢查
三、求解設(shè)置
1）求解模型
雙擊 求解>求解模型，設(shè)置湍流模型。本案例為穩(wěn)態(tài)計(jì)算，采用不可壓縮流，湍流模型采用Standardk-epsilon模型。
展開 star-ccm+管內(nèi)換熱知識之關(guān)于對流換熱系數(shù)的解釋
對流換熱是指發(fā)生于運(yùn)動流體和固體壁面之間的熱交換現(xiàn)象。
對流換熱強(qiáng)度由牛頓冷卻定律來確定：
qs=h(T。-Trer)(1)
式中，qs為熱流密度，h為對流換熱系數(shù)，T為固體壁面溫度，Trer為運(yùn)動流體的特征溫度(參考溫度)。
在上述公式中，熱流密度和溫差之間呈現(xiàn)一個簡單的線性關(guān)系，但是，在真實(shí)的對流換熱中，由于壁面處的流動處處不同，造成q和h在壁面的分布也不相同。更為重要的是，對流換熱系數(shù)的定義必須依賴于給定的參考溫度，因此，對于相同的熱流密度來說，存在多種對流換熱系數(shù)和參考溫度的組合。
傳統(tǒng)上，換熱系數(shù)數(shù)據(jù)來源于實(shí)驗(yàn)。但是，邊界層理論(位于表面附近的流體層，其中粘度和導(dǎo)熱的影響占主導(dǎo)地位)的發(fā)展使得我們能夠用分析的方法計(jì)算對流換熱系數(shù)。因此，在STAR-CCM中，使用邊界層理論來計(jì)算對流換熱系數(shù)。因此，在 STAR-CCM+中，模擬對流換熱系數(shù)的概念核心來源于標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)( standard wall！function，SWF)，熱流密度的公式為
公式中的參數(shù)解釋如下：
聯(lián)立公式(1)和(2)即可求得對流換熱系數(shù)。對流換熱系數(shù)總是與參考溫度成對出現(xiàn)的，不能只說對流換熱系數(shù)而不說明參考溫度。標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)(SWF)是一組半經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，用于描述近壁區(qū)域(邊界層)中的流動現(xiàn)象。該模型使用層流/湍流 Randt數(shù)、無量綱近壁面速度、湍流能量來描述T和α
在本節(jié)中，我們討論關(guān)于準(zhǔn)確使用SWF和上述內(nèi)置后處理傳熱系數(shù)的建議，但重申STAR-CCM+總是使用公式(2)來求解表面局部熱通量。這個表達(dá)式體現(xiàn)了重要的邊界層概念，
用戶需要遵循建議以確保其正確應(yīng)用該模型。
展開 「CFD案例-Fluent」23 固體圓柱自然對流換熱二維瞬態(tài)分析
本案例在ANSYS2019R3中演示了如何利用Fluent進(jìn)行固體圓柱自然對流換熱二維瞬態(tài)CFD仿真。首先于DesignModeler中建立幾何模型，接著導(dǎo)入ANSYS Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行命名邊界條件，然后利用Fluent進(jìn)行求解，最后在CFD-POST中進(jìn)行后處理。案例基于2D、瞬態(tài)求解。
一
案例模型
二
Workbench設(shè)置
▼ 將Fluid Flow(Fluent)拖入右邊空白界面。
▼ 以DesignModeler方式打開Geometry。
模型建立完畢，轉(zhuǎn)入ANSYS Mesh，網(wǎng)格劃分。
三
Fluent設(shè)置
▼ 打開Fluent登錄界面進(jìn)行設(shè)置。
展開 波紋板的對流換熱數(shù)值仿真 ￥800
波紋板是一種具有波浪狀結(jié)構(gòu)的金屬板，在對流換熱中具有重要的應(yīng)用。波紋板的波浪狀形態(tài)可以增加其表面積，提高熱傳導(dǎo)效率和對流換熱效果。本案例建立了一簡化二維模型，基于COMSOL軟件的熱-流耦合相關(guān)模塊，數(shù)值仿真得到對流換熱后的溫度場和速度場分布，如圖所示：
感興趣的朋友，歡迎合作交流！
對流換熱系數(shù)
對流換熱系數(shù)表征了流體與固體表面之間的換熱能力。比如說，物體表面與附近空氣溫差1℃，單位時間單位面積上通過對流與附近空氣交換的熱量。單位為W/(m^2·℃)。表面對流換熱系數(shù)的數(shù)值與換熱過程中流體的物理性質(zhì)、換熱表面的形狀、部位、表面與流體之間的溫差以及流體的流速等都有密切關(guān)系。物體表面附近的流體的流速愈大，其表面對流換熱系數(shù)也愈大。如人處在風(fēng)速較大的環(huán)境中，由于皮膚表面的對流換熱系數(shù)較大，其散熱（或吸熱）量也較大。對流換熱系數(shù)可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，通常用巴茲公式計(jì)算。
對流換熱系數(shù)的基本計(jì)算公式由牛頓于1701年提出，又稱牛頓冷卻定律。牛頓指出，流體與固體壁面之間對流傳熱的熱流與它們的溫度差成正比，即：
q = h*(tw-t∞)
Q = h*A*(tw-t∞)=q*A
式中：
q為單位面積的固體表面與流體之間在單位時間內(nèi)交換的熱量，稱作熱流密度，單位W/m^2；
tw、t∞分別為固體表面和流體的溫度，單位K；
A為壁面面積，單位m^2；
Q為面積A上的傳熱熱量，單位W；
h稱為表面對流傳熱系數(shù)，單位W/(m^2·K)。
對流換熱系數(shù)h的物理意義是：當(dāng)流體與固體表面之間的溫度差為1K時， 1m*1m壁面面積在每秒所能傳遞的熱量。h的大小反映對流換熱的強(qiáng)弱。
如上所述，h與影響換熱過程的諸因素有關(guān)，并且可以在很大的范圍內(nèi)變化，所以牛頓公式只能看作是傳熱系數(shù)的一個定義式。它既沒有揭示影響對流換熱的諸因素與h之間的內(nèi)在聯(lián)系,也沒有給工程計(jì)算帶來任何實(shí)質(zhì)性的簡化，只不過把問題的復(fù)雜性轉(zhuǎn)移到傳熱系數(shù)的確定上去了。因此，在工程傳熱計(jì)算中，主要的任務(wù)是計(jì)算h。計(jì)算傳熱系數(shù)的方法主要有實(shí)驗(yàn)求解法、數(shù)學(xué)分析解法和數(shù)值分析解法。
影響對流傳熱強(qiáng)弱的主要因素有：
1. 對流運(yùn)動成因和流動狀態(tài)；
2. 流體的物理性質(zhì)（隨種類、溫度和壓力而變化）；
3.
展開 基于comsol的多隔層對流換熱
基于comsol的多隔層對流換熱
Tips--FloTherm查看對流換熱系數(shù)
Flotherm軟件可根據(jù)定義邊界條件，計(jì)算表面對流換熱，具體查看方法：
在后處理Table中的Geometry模塊，然后勾選Solid Conductors，在其中的Cuboid Fluxes就能看查看關(guān)注對象的對流換熱系數(shù)。
傳熱計(jì)算-空腔自然對流換熱 ￥10
內(nèi)部介質(zhì)為空氣，在溫度影響下產(chǎn)生自然對流。
圖 1 幾何模型
2 劃分網(wǎng)格
上下邊界劃分300個節(jié)點(diǎn)，左右邊界劃分30個節(jié)點(diǎn)，共生成9000個四邊形網(wǎng)格。
邊界命名
3 設(shè)置邊界條件
設(shè)置重力加速度為-9.81m/s2，添加空氣相關(guān)參數(shù)。
原文檔在附件里，自行下載。
仿真模型 | 圓柱鋰電池表面自然對流換熱系數(shù)仿真估算
當(dāng)放電深度大于0.8時，通過溫度仿真曲線可以看出4 A仿真與實(shí)際溫度誤差值為負(fù)，而5 A仿真與實(shí)際溫度誤差為正；同時此區(qū)間內(nèi)5 A絕對誤差高于4 A，因而導(dǎo)致5 A修正估算數(shù)值高于4 A對流換熱系數(shù)。
05
結(jié)論
基于電池實(shí)驗(yàn)測定和電池簡化模型，采用基礎(chǔ)發(fā)熱模型描述了單電池生熱速率。通過實(shí)驗(yàn)得到單電池溫度及電阻參數(shù)；通過公式編寫了內(nèi)核及對流換熱系數(shù)UDF模型。基于18650型單體鋰離子電池三維數(shù)值模型，研究了單體鋰離子電池在恒溫環(huán)境自定義熱源下，對流換熱系數(shù)的變化。通過實(shí)驗(yàn)及仿真計(jì)算分析得出以下結(jié)論：
(1)對三組電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，測得電池恒溫放電工況下的實(shí)際放電溫度、內(nèi)阻、容量及能量，測試結(jié)果表明，放電電流越大電池平均阻值就越高；放電電流越高其生熱率越大，電池溫升也就越高；
(2)以測試值構(gòu)建了單體鋰離子電池的生熱源，根據(jù)實(shí)際溫度值，通過仿真估算得出對流換熱系數(shù)，結(jié)果表明，在環(huán)境溫度為27 ℃時，電池對流換熱系數(shù)隨著放電深度的提高而增加，放電電流越大放電后期對流換熱系數(shù)越高，此結(jié)果仿真出的電池溫度誤差精度均小于5%；
(3)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對比分析結(jié)果較好地體現(xiàn)了單體鋰離子電池在相同溫度、不同放電電流下的生熱變化情況，所確立的單體鋰離子電池對流換熱系數(shù)，對后續(xù)電池成組熱分析具有參考價值。
參考文獻(xiàn)：
[1] BERNARDI D, NEWMAN J, PAWLIKOWSKI E. A general energy balance forbattery systems[J]. J Electrochem Soc, 1985, 132(1):5-10.
[2] CHEN S C, WAN C C, WANG Y Y.
展開 Spring-ICE 結(jié)冰算法述評-（5）對流換熱系數(shù)計(jì)算
看完以后不禁感嘆，這分明是一份調(diào)研分析報告啊。
文章細(xì)數(shù)了當(dāng)時大漢的內(nèi)外危機(jī)，特別是如何處理諸侯國尾大不掉的問題，這個時候還沒到漢武帝時期，賈誼就分析大漢開國以來歷次諸侯國叛亂的共性，得出一個結(jié)論，啥結(jié)論呢？越小的封國越不會造反。順著這個思路，怎么處理諸侯國問題的答案就很明顯了，不是一把擼掉各國，而是增加封國，越多越好，封地越小越好。這個思想不就是后來的“推恩令”嘛。作者的總結(jié)洞察能力真是太厲害了
想想后世的偉人寫的很多調(diào)研報告，核心都是調(diào)研，分析，總結(jié)共性和異性，得出結(jié)論。這種天才般的洞察力和研究方法，很值得學(xué)習(xí)。
《治安策》的精彩之處遠(yuǎn)不止此，要知道這個文章是寫給皇帝的，里面有些和“陛下”交心的話，寫的很有意思。大家無聊時候可以讀讀，順便想想大家給領(lǐng)導(dǎo)發(fā)郵件都是怎么寫的，對比下。
字也寫了很多，近兩個月，各類報告、稿件寫了將近7萬字，要是算上代碼，則不知何幾了。俺明明是一個工程師啊。
言歸正傳了。
1 對流換熱系數(shù)是個啥
我們都知道，換熱有三種方式：熱對流、熱傳導(dǎo)和熱輻射。對流換熱系數(shù)，顧名思義就是表征熱對流方式中，流體和固體間傳熱能力的一個值。說是系數(shù)，它可不是無量綱的。
對流換熱系數(shù)在結(jié)冰里能干啥呢？看一看結(jié)冰能量方程就會發(fā)現(xiàn)，對流換熱系數(shù)在摩擦、蒸發(fā)、升華等各個項(xiàng)里都起作用。一言以蔽之，對流換熱系數(shù)在結(jié)冰里是用來求解能量方程的。
2 對流換熱系數(shù)怎么算？
我們前面還提到，要調(diào)研分析，總結(jié)共性和異性。這里我們就來做一做。
總的來說，對流換熱系數(shù)的計(jì)算可以分成兩類辦法，一類是簡單明了，帶有經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的。
展開 水壺的傳熱分析（熱傳導(dǎo)+熱對流+熱輻射） ￥5
分享一個通過ABAQUS做的水壺的傳熱分析，包含熱傳遞的三種方式：熱傳導(dǎo)+熱對流+熱輻射。
方法教程來自于外網(wǎng)，附件是自己根據(jù)教程練習(xí)時建的cae模型，供參考。
熱傳導(dǎo)是熱能從高溫向低溫部分轉(zhuǎn)移的過程；熱對流是熱量通過流動介質(zhì)傳遞的過程；熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。
【材料】鋼/陶瓷
【網(wǎng)格】DC3D10
【接觸】
茶壺和蓋子之間的傳導(dǎo)
2.對流
3.熱輻射
【設(shè)置絕對零度+Stefan-Boltzmann常數(shù)】
【邊界條件】
【預(yù)定義溫度場】
【后處理】
展開 
ANSYS APDL熱分析--換熱器熱膨脹分析(附命令流)
1.項(xiàng)目背景
蒸汽發(fā)生器排污熱交換器充分利用余熱、完成熱量轉(zhuǎn)換的試驗(yàn)裝置，求結(jié)構(gòu)完整性有著至關(guān)重要的意義，而高溫下軸向的熱膨脹是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一，因而計(jì)算器熱膨脹量至關(guān)重要。
2.項(xiàng)目目的
利用ANSYS軟件，建立蒸汽發(fā)生器排污換熱器梁單元三維模型，對其在設(shè)計(jì)溫度下的熱膨脹量進(jìn)行計(jì)算，為后續(xù)驗(yàn)證換熱器裝置的結(jié)構(gòu)完整性提供依據(jù)。
3.理論計(jì)算
熱膨脹量理論計(jì)算公式：
?L=α??T?L
其中：α為熱膨脹系數(shù)，△T為溫差，L為管道計(jì)算長度
在本實(shí)例中，溫差△T：管側(cè)為310℃；殼側(cè)為268℃
α：12e-6 mm/mm·℃；
L：管側(cè)為1500mm；殼側(cè)為800mm
計(jì)算得軸向熱膨脹量：
?L=310?12e-6?1500+268?12e-6?800=8.153mm
4.計(jì)算輸入
熱膨脹分析時，僅需要加溫度載荷，同時將框架底部固定約束即可。
展開 涉及流固耦合（對流、輻射）的熱分析
材料性質(zhì)：
固體：銅：導(dǎo)熱系數(shù)k=400，比熱c=400，密度8890。（單位：SI）
流體：空氣
3. 邊界條件
銅母線生熱率：12960w/m3
銅外殼生熱率：8909w/m3
銅外殼外側(cè)與空氣對流換熱：hc= 4w/(m2*K), T,ambient = 313 K
銅外殼外側(cè)的熱輻射率：emissivity=0.85
銅母線、銅外殼內(nèi)側(cè)的熱輻射率均為 0.85
重力y軸負(fù)向：9.8
幾何圖形見下圖(單位：m)
4.附檔
4.a gambit網(wǎng)格
simwe_thermal_gambit_mesh.rar
4.b icemcfd project file
simwe_tube_icemcfd_project.rar
4.c icemcfd mesh for cfx
simwe_tube_icem10_mesh.rar
4.d ansys_mesh file
ansys_mesh file.rar
用openoffice calc, 簡單計(jì)算的資料
(上方是基本參數(shù)資料, 下左框是 for absorption =1, 下右框是 for absorption =0.85
在表中所設(shè)的管長是1.00 meter, 但是在icemcfd and ansys 網(wǎng)格中的管長是建為0.0025 meter的
根據(jù)熱平衡時, 所有銅管產(chǎn)生之熱, 必等於外表面散熱(radiation + convection)
可知合理的表皮溫度應(yīng)在363(or 369)度附近
用omega Reynold stress turbulent model 的結(jié)果
K-e turbulent model 的結(jié)果
展開 ★☆♂熱分析----關(guān)于流體的對流系數(shù)的確定！
★☆♂熱分析----關(guān)于流體的對流系數(shù)的確定！
風(fēng)
水
油
霧
他們的對流系數(shù)怎么確定？
歡迎大家提出好的方法
Optistruct穩(wěn)態(tài)熱分析——帶有絕緣體的結(jié)構(gòu)的對流加載 ￥2
針對帶有絕緣體的結(jié)構(gòu)的進(jìn)行對流加載的穩(wěn)態(tài)傳熱分析，具有如下知識點(diǎn)：
材料的相關(guān)定義
flux和convection的建立方法
穩(wěn)態(tài)傳熱分析步的建立
結(jié)果云圖的查看
