自然對流換熱仿真的案例
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 「CFD案例-Fluent」23 固體圓柱自然對流換熱二維瞬態分析
本案例在ANSYS2019R3中演示了如何利用Fluent進行固體圓柱自然對流換熱二維瞬態CFD仿真。首先于DesignModeler中建立幾何模型，接著導入ANSYS Mesh進行網格劃分，并進行命名邊界條件，然后利用Fluent進行求解，最后在CFD-POST中進行后處理。案例基于2D、瞬態求解。
一
案例模型
二
Workbench設置
▼ 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，轉入ANSYS Mesh，網格劃分。
三
Fluent設置
▼ 打開Fluent登錄界面進行設置。
展開 傳熱計算-空腔自然對流換熱 ￥10
內部介質為空氣，在溫度影響下產生自然對流。
圖 1 幾何模型
2 劃分網格
上下邊界劃分300個節點，左右邊界劃分30個節點，共生成9000個四邊形網格。
邊界命名
3 設置邊界條件
設置重力加速度為-9.81m/s2，添加空氣相關參數。
原文檔在附件里，自行下載。
波紋板的對流換熱數值仿真 ￥800
波紋板是一種具有波浪狀結構的金屬板，在對流換熱中具有重要的應用。波紋板的波浪狀形態可以增加其表面積，提高熱傳導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-流耦合相關模塊，數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！
star-ccm+管內換熱知識之關于對流換熱系數的解釋
對流換熱是指發生于運動流體和固體壁面之間的熱交換現象。
對流換熱強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，T為固體壁面溫度，Trer為運動流體的特征溫度(參考溫度)。
在上述公式中，熱流密度和溫差之間呈現一個簡單的線性關系，但是，在真實的對流換熱中，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和參考溫度的組合。
傳統上，換熱系數數據來源于實驗。但是，邊界層理論(位于表面附近的流體層，其中粘度和導熱的影響占主導地位)的發展使得我們能夠用分析的方法計算對流換熱系數。因此，在STAR-CCM中，使用邊界層理論來計算對流換熱系數。因此，在 STAR-CCM+中，模擬對流換熱系數的概念核心來源于標準壁面函數( standard wall！function，SWF)，熱流密度的公式為
公式中的參數解釋如下：
聯立公式(1)和(2)即可求得對流換熱系數。對流換熱系數總是與參考溫度成對出現的，不能只說對流換熱系數而不說明參考溫度。標準壁面函數(SWF)是一組半經驗函數，用于描述近壁區域(邊界層)中的流動現象。該模型使用層流/湍流 Randt數、無量綱近壁面速度、湍流能量來描述T和α
在本節中，我們討論關于準確使用SWF和上述內置后處理傳熱系數的建議，但重申STAR-CCM+總是使用公式(2)來求解表面局部熱通量。這個表達式體現了重要的邊界層概念，
用戶需要遵循建議以確保其正確應用該模型。
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。
【AICFD案例教程】IGBT對流換熱分析
AICFD是由天洑軟件自主研發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、電子設備和車輛運載等領域復雜的流動和傳熱問題。軟件涵蓋了從建模、仿真到結果處理完整仿真分析流程，幫助工業企業建立設計、仿真和優化相結合的一體化流程，提高企業研發效率。
一、概 要
1）案例描述
本案例針對功率模塊進行流熱固耦合仿真。
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：水側對流換熱，入口速度8m/s。
2）網格
一階四面體網格，單元數8779036，節點數2233260。
圖1-1 網格模型
二、網 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，設置工程文件名，點擊“確定”。
圖2-1 AICFD窗口
圖2-2 新建工程
2）網格導入
單擊菜單欄網格>導入網格，導入外部生成的計算域網格。
圖2-3 網格導入
3）網格質量檢查
單擊菜單欄 網格>網格質量，檢查網格質量。
圖2-4 網格質量檢查
三、求解設置
1）求解模型
雙擊 求解>求解模型，設置湍流模型。本案例為穩態計算，采用不可壓縮流，湍流模型采用Standardk-epsilon模型。
展開 Tips--FloTherm查看對流換熱系數
Flotherm軟件可根據定義邊界條件，計算表面對流換熱，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就能看查看關注對象的對流換熱系數。
操作技巧- Fluent自然對流冷卻仿真注意事項
根據用戶們向Ansys流體技術團隊反饋的在自然對流冷卻仿真過程中存在的問題，Ansys工程師做了系統的解答匯總。以下知識點雖然都是在Fluent中進行實現，但方法是普適的，在其它CFD軟件中計算時同樣需要注意，希望對大家有所幫助。
關鍵知識點匯總
?網格方面：空氣域需要有邊界層網格，且最大長寬比不宜超過40
?求解器方面：需要使用雙精度求解器
?打開重力
?物性密度方面
‐Incompressibleideal gas->指定操作密度
‐Boussinesq：要求溫度變化較小（<20%）; 指定操作溫度
?壓力空間離散格式: body force weighted 或者Presto!
?需要計算非穩態時間常數，時間步長取其1/4左右
?P-V耦合
‐推薦使用coupled; CFL設置為100，密度松弛因子0.8
‐simple也可以計算
?初始時使用一階算法，穩定后切換到二階
?Bodyforce 松弛因子不宜大于0.5
?必要時可關閉溫度的二階梯度
以下是對上述點具體實現的描述：
在WTM中可實現對長寬比生成的控制
打開重力
物性密度操作
壓力離散格式
時間步長計算
PV耦合
關閉溫度二階梯度
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來源：Ma Shihu，Jing Wenming，Ansys 流體大本營
展開 基于comsol的多隔層對流換熱
基于comsol的多隔層對流換熱
Spring-ICE 結冰算法述評-（5）對流換熱系數計算
1 對流換熱系數是個啥
我們都知道，換熱有三種方式：熱對流、熱傳導和熱輻射。對流換熱系數，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，它可不是無量綱的。
對流換熱系數在結冰里能干啥呢？看一看結冰能量方程就會發現，對流換熱系數在摩擦、蒸發、升華等各個項里都起作用。一言以蔽之，對流換熱系數在結冰里是用來求解能量方程的。
2 對流換熱系數怎么算？
我們前面還提到，要調研分析，總結共性和異性。這里我們就來做一做。
總的來說，對流換熱系數的計算可以分成兩類辦法，一類是簡單明了，帶有經驗性質的。另一類是復雜玄幻，同樣帶有經驗性質的。
簡單的
復雜的
仔細研究就能發現，這個簡單的辦法，沒有復雜的公式嵌套和微積分運算。這個復雜的就是公式套公式，積分又積分
我們多數人都有這樣的幻覺，仿佛越復雜精密的理論出來的結果就會越準。我自己在做這個部分的時候，開始也是如此想。
但是一旦去使用那個復雜方法就會發現問題很多，很多地方不明確，出來的結果很怪異。看似精密，其實我研究過的文獻都沒把這個事情講清楚，甚至連一些關鍵參數，大家用的還有差別。
后來我決定，拿LEWICE的換熱系數結果和這兩個方法比比，看看究竟如何。
結論是：兩個都不準！！要非說誰好一點，還是那個簡單方法更好一點。
展開 
Fluent實用案例 | 螺旋翅片管式換熱器換熱仿真
<p>本案例利用Fluent能量方程對螺旋翅片管式換熱器展開了數值仿真計算。該案例所用模型為假設模型，僅作計算設置參考，所進行的設置十分簡單。通過此案例后續可以對進一步通過參數化建模，對不同流速、基管尺寸、翅片半徑等參數進行設置，實現多工況的仿真計算，從而達到多目標優化的目的。</p><p><strong>1 workbench 設置</strong></p><p>本案例具體設置如下圖 ：</p><p class="ql-align-center"><img src="https://img.jishulink.com/msimage/202508/a73d4f107f58f883f2fc0a0da08f2be6.jpg"></p><p><strong>2 SCDM 設置</strong></p><p><strong>2.1 導入幾何</strong></p><p>整體幾何結構如下圖:中間為換熱器，外部為空氣域。基管長34mm，前后各留1mm間隔，翅片厚度為1mm，x方向壁面分別為進出口。z方向壁面設置為wall2，y方向壁面設置為wall1，對幾何結構進行共享拓撲處理。換熱器外表面命名為pipe，內表面命名為wall-</p><p>hot。</p><p class="ql-align-center"><img src="https://img.jishulink.com/msimage/202508/989b58b5d3ceb34064e2c27613527b7f.png"></p><p><br></p><p><strong>3 Fluent Meshing 設置</strong></p><p><strong>3.1 網格設置</strong></p><p>采用 Fluent meshing 進行網格劃分，背景網格與前景網格皆采用六面體網格劃分，并劃分相對應的邊界層網格。
展開 Fluent周期性流動換熱仿真實例-翅片換熱器
案例描述：
氨水在間斷式翅片換熱器的流動換熱仿真。由于在間斷式翅片換熱器中重復的幾何單元多，這里取它的一個重復單元進行仿真分析即可，尺寸和邊界條件見下圖。
FLUENT 提供流向周期流的計算。這種流動具有廣泛的應用，如熱交換管道以及通過水箱的管流。在這些流動模式中，幾何外形沿流動方向上具有重復性的特點，從而導致了周期性完全發展的流動。這些周期性條件在足夠的入口長度后就會形成，具體與雷諾數和幾何外形有關。
周期性熱傳導的解策略：
完成了周期性熱傳導常數壁面溫度的用戶輸入之后，你就可以解決流動和熱傳導問題直至收斂。最為有效的解決方法是首先解沒有熱傳導的周期性流動，然后不改變流場來解熱傳導問題，具體步驟如下：
在解控制面板中關閉能量方程選項。菜單：Solve/Controls/Solution...。
解剩下的方程（連續性，動量以及湍流參數（可選））來獲取收斂的周期性流動的流場解。注意，當你在開始計算之前初始化流場時，請使用入口體積溫度和壁面溫度的平均值作為流場的初始溫度。
回到解控制面板，關閉流動方程打開能量方程。
解能量方程直至收斂獲取周期性溫度場。
當同時考慮流動和熱傳導來解決周期性流動和熱傳導問題時，你就會發現上面所介紹的方法相當有效。
1、導入網格
1.1 打開Fluent軟件，選擇2D求解器。
1.2 導入網格。
1.3 尺寸縮放。在本案例的附件網格，需要點擊Scale兩次，如下圖。
2、模型選擇
打開能量方程和湍流模型，其中，湍流模型設置如下。
3、材料
在流體材料庫中調出氨水ammonia-liquid (nh3<l>)的物性。
4、計算域設置
將計算域的材料設置為氨水。
展開 414-基于相變材料回填并考慮地下水滲流影響的U形地埋管換熱器（地源熱泵）換熱仿真
13 基于相變回填的仿真設置
使用相變回填材料時，參考如下 設置：
（1）創建相變回填材料
（2）打開凝固/熔化模型
（3）將回填區域設置為流體域，并將上述的回填材料賦給回填區。
14 考慮滲流的仿真設置
考慮滲流時，土壤區域參考如下設置：
（1）土壤滲流多孔介質區域設置
（2）滲流速度設置
05
基本結果
1、Case A1普通換熱仿真結果
1天內時間步長60s，1天后，時間步長86400s。
基于Simdroid-EC的油冷變壓器自然冷卻熱仿真
自然對流是油冷變壓器散熱的重要方式之一，通過合理的溫度控制，確保自然對流散熱的良好效果，可以降低變壓器的運行損耗，提高能源利用效率。
伏圖-電子散熱模塊（Simdroid-EC，以下簡稱EC）是基于通用多物理場仿真PaaS平臺伏圖（Simdroid）開發的針對電子元器件、設備等散熱的專用熱仿真模塊，內置電子產品專用零部件模型庫，支持用戶通過“搭積木”的方式快速建立電子產品的熱分析模型，并利用成熟穩定的算法計算流動與傳熱問題，對電子產品進行高效的熱可靠性分析；可廣泛應用于通信設備、電力電子、半導體產品與設備、汽車、航空航天等工業領域。
以下是基于Simdroid-EC對油冷變壓器進行自然冷卻仿真及對應的功能點和步驟說明。
1、CAD模型導入
通過EC導入接口，可以將變壓器模型導入；線圈、變壓器油箱外殼、油箱外側的翅片均可以使用EC提供的薄壁機箱模型來構建；鐵心部分使用EC的立方體塊來拼接搭建。
圖1 變壓器CAD模型
2、快速構建熱仿真模型
1）在根裝配體下建立薄壁機箱模型，使用EC提供的對齊、包圍盒拖動等功能（或者直接使用拖拽建模，可快速建立機箱模型），將機箱模型與油箱外側散熱片上的集流槽對齊定位；賦予其對應的材料屬性和薄壁厚度。
圖2 基于CAD體建立集流槽
2）選擇機箱對應的面，并在此面上打孔，可以使用鼠標拖動孔的大小和位置，以精確捕捉開孔的位置；通過孔的復制陣列，可以完成此集流槽熱模型的建立，如下圖所示。
圖3 集流槽熱模型打孔
3）基于同樣的方法，可以建立每組散熱片下側集流槽。
4）通過類似的方法，建立油箱外側的散熱片熱模型，并在翅片的機箱模型開具對應的孔，以構建冷卻油的流道。
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