自然對流散熱的案例
自然散熱管腳類器件flotherm熱仿真誤差分析案例1
為了考察不同層數的PCB板導熱系數對仿真結果的影響，改變PCB板導熱系數，對同樣三種類型（單管腳、雙管腳1、雙管腳2）的二極管進行仿真，結果如下：
模型1.9
模型1.10
模型1.11
對比之前溫度：
導熱系數27 W/(mK)
(沿板面)
導熱系數為68.6 W/(mK)
(沿板面)
單管腳模型
自然散熱管腳類器件flotherm熱仿真誤差分析案例1
72.8℃
69.8℃
雙管腳1模型
自然散熱管腳類器件flotherm熱仿真誤差分析案例1
66.7℃
64.7℃
雙管腳2模型
自然散熱管腳類器件flotherm熱仿真誤差分析案例1
66.6℃
64.9℃
通過對比不同的PCB板導熱系數所得值可以看到，在三種模型下算得的溫度均相差不大（溫差在2℃之內），因此根據以往的計算經驗來看不需要再改動參數即可較好的吻合實驗結果。
綜上總結自然散熱管腳類器件flotherm仿真經驗如下：
1. 對于管腳類器件的自然對流散熱的仿真，管腳需深入PCB板中，否則會產生很大的計算誤差。
2. 對于板級自然對流散熱的仿真，二極管管腳個數的多少可以通過等效換算成單根管腳的粗細度可以很好的接近實際模型，同時簡化了建模。
3. 對于板級自然對流散熱的仿真，二極管管腳的橫置豎置形狀的變化對最后的溫度計算影響很小，結合第2點運用就可以在保證足夠準確度的前提下，簡化模型設置，加快仿真速度。
4. 對于板級自然對流散熱的仿真，PCB板的材料屬性設置可以按照：沿板面27 W/(mK)，沿板厚0.3 W/(mK)做通用設置，可以保證一般要求。
展開 什么是自然對流Boussinesq假設？
電子散熱冷卻中經常采用Boussinesq假設來計算自然對流散熱，該方法計算速度快，計算穩定性高。
本文主要講述采用Boussinesq假設的自然對流原理、關鍵點及應用條件，下一篇會講述具體的應用案例。
為什么要采用Boussinesq假設？
自然對流主要由于密度受熱變化產生密度差造成，該現象可用如下的可壓縮N-S方程描述。
一方面可以看到該方程是高度非線性的，這種特性會造成求解變得不穩定；另一方面可以看到該方程需要求解的變量非常多，包括速度場u、v、w，壓力場p，密度場ρ等，內存需求比較大。
Boussinesq假設即為解決上述問題而產生，當然既然是假設，自然有一些適用前提，Boussinesq假設氣體密度變化非常小。
Boussinesq假設在方程中如何表現
好吧，下面講述一些枯燥的理論，即Boussinesq假設如何在方程中表現。主要分為以下幾步：
1.把氣體密度ρ寫成參考密度項ρ0與由于溫度引起的密度變化項△ρ之和。
根據假設，其中△ρ遠小于ρ0。
2.把方程（3）代入上述N-S方程（1）、（2），并得到如下方程。
自然對流中浮力是驅動力，因此動量方程（5）中的浮力項也是占主導作用，且密度變化△ρ遠小于參考密度ρ0,因此對于瞬態項、對流項可以忽略△ρ，即
最終簡化為
可以看到此時瞬態項、對流項的密度已被消去，只剩下浮力項還帶有密度，我們的目標是把浮力項中的密度也消去，這樣方程的非線性、內存需求都會降低。
3.浮力項密度可以用溫度代替嗎？帶著這樣一個疑問，在消去浮力項密度之前，首先定義一個名詞：熱膨脹系數β。
展開 Ansys Icepak電子設備熱分析
散熱器：模型和參數化設置、散熱器優化簡介
10.新材料建立、輻射系數的修改 11.計算域的設置
問題設置 Problem setup
掌握變量設置、
瞬態設置
問題設置 Problem setup 的General setup
1.求解變量 2.輻射類型
3.判斷流態判斷 4.湍流模型
5.自然對流設置 6.自然對流散熱需要考慮的問題
問題設置Problem setup的Default
7.如何修改默認表面材料的發射率
8.真空工況只考慮導熱和輻射散熱時如何修改設置
問題設置Problem setup的transient setup
9.瞬態模擬分時計算時Restart和Full data 的設置
10.實例：如何設置在冷熱環境交替工作的環境溫度
11.在分析自然對流散熱時設置反重力方向的初始速度
問題設置Problem setup的Advanced
12.在不同海撥高度的自然空氣對流散熱的設置
13.修正在不同海撥高度的風扇P-Q特性曲線的設置
14.不考慮自然對流散熱的強迫風冷散熱分析
15.風冷機箱的外壁通過設置對流換熱系數來模擬自然對流散熱
16.考慮風冷機箱外殼的自然對流散熱和輻射散熱的混合冷卻
17.風冷機箱內導熱、自然對流、強迫對流、熱輻射混合散熱分析
求解設置
掌握各種殘差判據的設置
1.穩態分析的迭代次數設置方法
2.瞬態分析每個時間步長的迭代次數設置方法
3.流動殘差標準、能量殘差數值設置方法
4.如何通過觀察殘差曲線來判斷模型錯誤
5.壓力迭代因子、動量方程迭代因子的設置
6.計算收斂的三個標準 7.導致不收斂的數個原因
8.自然對流散熱時計算域如何設置
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掌握變量設置、
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問題設置 Problem setup 的General setup
1.求解變量 2.輻射類型
3.判斷流態判斷 4.湍流模型
5.自然對流設置 6.自然對流散熱需要考慮的問題
問題設置Problem setup的Default
7.如何修改默認表面材料的發射率
8.真空工況只考慮導熱和輻射散熱時如何修改設置
問題設置Problem setup的transient setup
9.瞬態模擬分時計算時Restart和Full data 的設置
10.實例：如何設置在冷熱環境交替工作的環境溫度
11.在分析自然對流散熱時設置反重力方向的初始速度
問題設置Problem setup的Advanced
12.在不同海撥高度的自然空氣對流散熱的設置
13.修正在不同海撥高度的風扇P-Q特性曲線的設置
14.不考慮自然對流散熱的強迫風冷散熱分析
15.風冷機箱的外壁通過設置對流換熱系數來模擬自然對流散熱
16.考慮風冷機箱外殼的自然對流散熱和輻射散熱的混合冷卻
17.風冷機箱內導熱、自然對流、強迫對流、熱輻射混合散熱分析
求解設置
掌握各種殘差判據的設置
1.穩態分析的迭代次數設置方法
2.瞬態分析每個時間步長的迭代次數設置方法
3.流動殘差標準、能量殘差數值設置方法
4.如何通過觀察殘差曲線來判斷模型錯誤
5.壓力迭代因子、動量方程迭代因子的設置
6.計算收斂的三個標準 7.導致不收斂的數個原因
8.自然對流散熱時計算域如何設置
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8.真空工況只考慮導熱和輻射散熱時如何修改設置
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10.實例：如何設置在冷熱環境交替工作的環境溫度
11.在分析自然對流散熱時設置反重力方向的初始速度
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12.在不同海撥高度的自然空氣對流散熱的設置
13.修正在不同海撥高度的風扇P-Q特性曲線的設置
14.不考慮自然對流散熱的強迫風冷散熱分析
15.風冷機箱的外壁通過設置對流換熱系數來模擬自然對流散熱
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求解設置
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展開 基于Icepak的水下航行器電池艙段散熱仿真分析
3.1 自然對流散熱
圖2為自然對流條件下，電池模塊艙段中心截面的溫度氣流分布，其中電池模塊中上部的紅色區域溫度最高，最高可達63.4℃，電池模塊溫度沿中心向外逐漸降低，且底部電池單元的溫度比頂部電池單元的溫度低，最低約51℃。電池艙內空氣溫度分層，電池模塊周圍的氣體受熱，進而上升，在頂端遇到較冷的電池艙段內壁后，沿內壁下降，隨后在底部繼續受熱上升并進行循環，自然對流條件下，艙內空氣流動緩慢，最大氣流速度僅0.18m/s。電池模塊中心留有3 mm的縫隙，但縫隙較小，從縫隙中通過的氣流較少，無明顯散熱效果。
圖2 自然對流中心截面溫度氣流分布圖
3.2 風冷散熱
在電池模塊下方設置2個離心風機以加強艙內散熱效果，電池模塊艙段中心截面的溫度氣流分布如圖3所示，電池模塊中心溫度依舊最高，最高可達58℃，由于風機的作用，艙內空氣流速加快，氣流沿艙壁進行循環，平均速度可達0.5m/s，沿艙壁艙內空氣與電池艙段內壁的對流換熱增大，使得電池模塊的溫度出現明顯的降低，電池模塊最大溫度和平均溫度均下降5℃左右。
圖3 風冷散熱中心截面溫度氣流分布圖
自然對流和風冷散熱條件下的電芯最高溫度曲線如圖4所示，風冷散熱可明顯降低電池艙段內的電芯最高溫度，最大降幅在頂部33號電芯處可達8℃，在底部64號電芯的最小降幅也可達2.5℃。此外，風冷散熱對電芯之間的溫差無明顯改善作用，電芯的溫度分布情況也基本一致。
圖4 自然對流和風冷散熱的電芯最高溫度對比
3.3 風機功率對風冷散熱的影響
調節離心風機的散熱功率并匹配風量風壓P-Q曲線，使風機的功率分別為3 W、8 W和18 W,電芯最高溫度曲線如圖5所示，電芯的最高溫度在風機功率18W和3W時相差可達16℃，電芯之間的最大溫差也從8.7℃降低到5.7℃。
展開 基于Hfss的電磁熱耦合分析微帶線行駐波功率容量
5，利用電磁和熱耦合仿真，端口加載100W平均功率時，在自然對流散熱條件下，微帶線最高溫度達到128°C，由于PCB板介質最高溫度范圍約為150°C，可見該微帶線承受100W平均功率時仍處于PCB板最高溫度之下。
二，駐波狀態時峰值功率與平均功率
1，當一端開口后，微帶線處于駐波狀態，電壓駐波比如下圖電壓駐波比達到185。
2，微帶線峰值功率容量降到由行波狀態2231W下降到691W。
3，駐波狀態時電場強度分布，（見動態電壓波峰與波谷位置幾乎固定不變）。
4，端口同樣加載100W平均功率時，在同意自然對流散熱條件下，微帶線最高溫度由128°C達到239°C，已經遠遠超過PCB板介質最高溫度范圍，可見駐波狀態下該微帶線承受不住100W平均功率。
5，當端口功率下降到40W平均功率時，在同意自然對流散熱條件下，微帶線最高溫度約119°C，與行波狀態時加載100W時溫度相當。
由以上仿真可知，統一微帶線下環境下，駐波與行波無論峰值功率還是平均功率都明顯下降。
最后，有相關需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡。
展開 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？
淺淡電動汽車電池系統熱管理技術
如果電動汽車電池組不能及時散熱，將導致電池組系統
的溫度過高或分布不均勻，其結果將降低電池充放電循環效率，影響電池的功率和能量發揮，嚴重時還將導致熱失控，影響系統安全性與可靠性；另外，由于發熱電池體的密集擺放，中間區域必然熱量聚集較多，邊緣區域較少則增加了電池包中各單元之間的溫度不均衡，這將造成各電池模塊、單體性能的不均衡，最終影響電池性能的一致性及電池荷電狀態（SOC）估計的準確性，影響到電動汽車的系統控制。鋰電池產生熱量 鋰電池內部反應過程 鋰離子電池工作原理本質上是內部正負極與電解液之間的氧化還原反應，在低溫下電極表面活性物質嵌鋰反應速率減慢、活性物質內部鋰離子濃度降低，這將引起電池平衡電勢降低、內阻增大、放電容量減少，極端低溫情況甚至會出現電解液凍結、電池無法放電等現象，極大的影響電池系統低溫性能，造成電動汽車動力輸出性能衰減和續駛里程減少。
此外，在低溫環境下充電容易在負極表面形成鋰沉積，金屬鋰在負極表面積累會刺穿電池隔膜造成電池正負極短路，威脅電池使用安全，電動汽車電池系統低溫充電安全問題極大的制約了電動汽車在寒冷地區的推廣。
因此為了提高整車性能，使電池組發揮最佳的性能和壽命，就需要優化電池包的結構，設計能夠適應高溫和低溫的電動汽車電池包熱管理系統BTMS。
電動汽車電池系統熱管理技術現狀
動力電池散熱研究可分為空氣散熱、液冷散熱、固體相變材料散熱和熱管散熱等方式，現有主要散熱技術以前三種為主。
空冷式散熱系統
空冷式散熱系統也叫風冷式散熱系統。空冷式的散熱方式最為簡單，只需要讓空氣流經電池表面帶走動力電池所產生的熱量，達到對動力電池組散熱的目的。根據通風措施的不同，空冷式又有自然對流散熱和強制通風散熱兩種方式。
自然對流散熱不依靠外部附加的強制通風措施（如加風機等），只是通過電池包內部流體自身因溫度變化而產生的氣流進行冷卻散熱的系統。
展開 熱仿真的原理、分析步驟、改善方案及實例應用等講解分析（含130講視頻教程）
熱仿真課程推薦
??課程名稱
《從零開始學散熱——實例、方法和思維》
?????主講老師
技術鄰平臺知名講師：陳繼良
擅長：熱設計領域的資深專家，曾就職于ZTE、NVIDIA等知名企業，主導多款消費電子產品、通訊設備等熱、噪音和EMI控制設計方案。現從事電子產品熱管理創新方案研發工作，并開發了“從零開始學散熱”系列培訓視頻和書籍。
??課程特點
1.內容豐富：課程涵蓋了散熱的各個方面，包括熱量的傳遞方式、傳熱系數等基本概念，自然對流散熱、風冷、水冷、熱管等常用散熱方法，以及散熱材料的選擇和特性等。
2.實例豐富：通過大量實際案例的分析，幫助大家更好地理解散熱技術的應用和解決方案。
3.思維培養：注重培養散熱設計思維，幫助大家形成自己的設計理念和方法。
??課程內容概覽
隨著電子設備的復雜度和集成度不斷提高，散熱問題變得日益重要。為了幫助工程師和技術人員有效解決散熱難題，陳繼良老師結合多年的教學和實踐經驗，開發了這門課程。通過課程學習，能夠幫助大家了解散熱的基本原理、掌握常見的散熱方法、熟悉散熱材料的選擇，并能夠在實際工程設計中靈活應用所學知識。
課程內容速覽??
1.散熱的基本原理：介紹熱量的傳遞方式、傳熱系數等基本概念，為后續學習打下基礎。
2.自然對流散熱：詳細講解自然對流散熱的原理及計算方法，并列舉實際應用案例。
3.常用散熱方法：包括風冷、水冷、熱管等方法的基本原理、設計要點和實際應用場景。
4.散熱材料的選擇：介紹各種散熱材料的特性和應用場景，幫助大家選擇合適的散熱材料。
5.具體案例分析：通過計算機硬件、電子設備和LED等不同領域中的散熱問題及解決方法的分析，加深大家對散熱技術的理解。
展開 新能源汽車動力電池熱管理技術剖析
自然對流散熱不依靠外部附加的強制通風措施（如加風機等），只是通過電池包內部流體自身因溫度變化而產生的氣流進行冷卻散熱的系統。
強制對流冷卻散熱系統是在自然對流散熱系統的基礎上加上了相應的強制通風技術的散熱系統。
當前動力電池空冷式散熱主要有串聯式和并聯式兩種系統。但該種方式效果較差，且很難達到較高的電池均溫性。
串聯風冷散熱/并聯風冷散熱
液冷式散熱系統
動力電池的液冷式散熱系統是指制冷劑直接或間接地接觸動力電池，然后通過液態流體的循環流動把電池包內產生的熱量帶走達到散熱效果的一種散熱系統。
制冷劑可以是水、水和乙二醇的混合物、礦物質油和R134a等，這些制冷劑擁有較高的導熱率，可以達到較好的散熱效果。
當前動力電池的液冷技術也擁有了相當成熟的技術，在電動汽車的散熱系統中也有了相對廣泛的應用，比如特斯拉電池包就是采用水和乙二醇的混合物的液冷方式散熱，寶馬i3采用R134a進行散熱。
液冷式系統往往要求更復雜的更加嚴苛的結構設計以防止液態制冷劑的泄漏以及保證電池包內電池單體之間的均勻性，而液冷系統的復雜結構也使得整套散熱系統變得十分笨重，不僅增加整車的重量，使得整車的負擔大大增加，而且同時由于其結構的復雜性及高密封性使得液冷系統的維護和保養相對困難，維護成本也相應增加。
液冷系統圖
動力電池包液冷結構散熱方式
特斯拉電池包液冷散熱圖
相變材料式散熱系統
相變材料式散熱系統是以相變材料作為傳熱介質，利用相變材料在發生相變時可以儲能與放能的特性達到對動力電池低溫加熱與高溫散熱的效果。但相變材料的熱導率比較低，為了改變材料的固有缺陷，人們向相變材料中填充一些金屬材料，例如有些研究中將很薄的鋁板填充到相變材料中從而達到提高熱導率的目的。
展開 
Fluent自然對流模擬
要用Fluent模擬自然對流的速度場和溫度場，想知道各位都添加些什么邊界條件，入口，出口怎么設置，需要知道哪些參數？要不要算對流換熱系數---
Boussinesq自然對流應用案例
上節主要說了采用Boussinesq假設的自然對流基礎理論，本節會講一下相應的Fluent應用案例，重點針對Boussinesq假設相關的關鍵設置詳細說明。
1.設置要點
首先不說廢話，先概括一下設置要點。如上節所述，我們已經知道Boussinesq假設主要針對動量方程的浮力項作了如下處理，這里就引出了三個量：操作密度ρ0、熱膨脹系數β及操作溫度T0。
那么該設置要點就是：
（1）勾選重力加速度
（2）設置操作密度ρ0、熱膨脹系數β及操作溫度T0。
2.案例概述
本例采用Fluent自帶的驗證算例說明，如下圖所示，一個長寬比為28.6的封閉空腔，上下水平壁面為絕熱壁面，兩個豎直壁面施加不同的壁面溫度，重力加速度為豎直Y方向，空腔內發生湍流自然對流，可以推算空腔內溫升并不大（溫升在20%以內），適用于Boussinesq假設。
3.操作流程
（1）進行總體設置。Steady，Pressure-based求解。由于自然對流是由于重力引起的，因此一定要勾選重力項。
（2）進行模型設置。因為考慮了溫度變化，打開能量方程；選擇Standard k-ε湍流模型，需要說明的是自然對流選擇層流還是湍流模型并不是根據雷諾數進行判斷，而是根據瑞利數Ra進行判斷：
層流和湍流的過渡區間很大，Fluent幫助文檔給出Ra=1e8作為參考，認為Ra>1e8時為自然對流湍流，相反為層流，大多數自然對流都為層流，本例較為特殊。
（3）進行材料屬性關鍵設置。進行材料屬性設置前，首先進行操作溫度T0設置,操作溫度一般選擇環境溫度，可以按照下圖原則進行設置。
展開 同心環的自然對流
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
算例說明
本案例模擬了同心環形域內的自然對流。內壁保持在比外壁更高的溫度，從而引起浮力誘導的環流。
計算域：外環半徑46.25 mm，內環半徑17.8 mm
物質屬性：物質密度為不可壓縮理想氣體，粘度為2.081e-5kg/m-s，比熱為1008 J/kg-K，導熱系數為0.02967 W/m-K
邊界條件：外環溫度為327 K，內環溫度為373 K
網格劃分
采用矩形網格，網格數量為1200
計算設置
本次計算為穩態軸對稱計算，考慮重力影響。
物質屬性
計算物質設置密度等參數
湍流模型
選擇為層流
能量方程
激活能量方程
邊界條件
設置內外壁面的溫度
求解控制
（1）求解方法
（2）松弛因子
計算結果
計算域云圖展示
溫度云圖
計算值與實驗值對比
對比計算域底部對稱軸位置處溫度值對比
參考文獻
T.H. Kuehn, R.J. Goldstein, “An Experimental Study of Natural Convection Heat
Transfer in Concentric and Eccentric Horizontal Cylindrical Annuli”, Journal of Heat Transfer, Vol 100, pp. 635-640, 1978.
展開 分享：空腔內自然對流
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
算例說明
本案例介紹了空腔內自然對流的湍流流動。兩個垂直墻保持在不同的溫度，而水平墻壁是絕熱的。
計算域：2.18m X 0.0762m
物質屬性：密度選擇Boussinesq假設，比熱為1005J/kg-K，粘度1.81e-05kg/m-s，摩爾數為28.966
邊界條件：低溫墻壁溫度為288.25 K，高溫墻壁溫度為307.85 K，上下墻壁為絕熱條件
網格劃分
采用矩形網格，網格數量為24300
注意：這里在上下方各設置長度為0.05m的固體域
計算設置
本次計算為穩態湍流計算，考慮重力影響。
物質屬性
計算空腔內流體物質為空氣，設置它的密度、比熱、粘性等參數
設置上下兩側固體域物質為硬橡膠
湍流模型
選擇雷諾應力湍流模型
能量方程
激活能量方程
邊界條件
設置左右兩側高、低溫墻壁的溫度
設置上下兩側壁面為絕熱條件
設置流體域與固體域之間的墻壁邊界參數
設置求解方法和松弛因子
計算結果
計算域溫度場云圖
計算域速度場云圖
計算值與實驗值對比
y=0.109m位置處豎直速度值對比圖
y=0.109m位置處溫度值對比圖
參考文獻
P.L. Betts, I.H. Bokhari. "Experiments on turbulent natural convection in an enclosed tall cavity".
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