自然對流散熱仿真的案例
自然散熱管腳類器件flotherm熱仿真誤差分析案例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(chǎn)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(shù)的多少可以通過等效換算成單根管腳的粗細(xì)度可以很好的接近實(shí)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(jié)合第2點(diǎn)運(yùn)用就可以在保證足夠準(zhǔn)確度的前提下，簡化模型設(shè)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(shè)置可以按照：沿板面27 W/(mK)，沿板厚0.3 W/(mK)做通用設(shè)置，可以保證一般要求。
展開 仿真模型 | 圓柱鋰電池表面自然對流換熱系數(shù)仿真估算
仿真模型
導(dǎo)語
據(jù)悉，為研究鋰離子電池?zé)崽匦詸C(jī)理，針對電池表面自然對流換熱系數(shù)展開研究，通過實(shí)驗得到了電池基本生熱參數(shù)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(shù)。
鋰離子電池因其高比能量特性而被廣泛應(yīng)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(fā)現(xiàn)，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(yīng)加劇容易產(chǎn)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(fā)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(yù)測動力鋰離子電池內(nèi)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?zé)崾Э匾蛩亍?01
導(dǎo)讀
目前，國內(nèi)外均針對鋰離子電池?zé)崮Ｐ秃蜔嵝袨檫M(jìn)行了相關(guān)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(fā)展研究，鋰離子電池?zé)崮Ｐ鸵呀?jīng)呈現(xiàn)多維度趨勢發(fā)展；
Chen等[2]通過研究電池三維分層電化學(xué)-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(shí)性；Lopez等[3]通過熱濫用模型實(shí)驗驗證了圓柱電池?zé)犴憫?yīng)能力比棱柱電池小；Chacko等[4]將電-熱模型應(yīng)用到恒流勻速和變電流工況中，研究發(fā)現(xiàn)變電流對電池溫升影響較高。
本文在前人研究基礎(chǔ)上，突破傳統(tǒng)仿真中將對流換熱系數(shù)、電壓溫度系數(shù)設(shè)定為常數(shù)，通過變化的電壓溫度系數(shù)來估算對流換熱系數(shù)，以此來達(dá)到更高的溫度仿真精度。
展開 操作技巧- Fluent自然對流冷卻仿真注意事項
根據(jù)用戶們向Ansys流體技術(shù)團(tuán)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(tǒng)的解答匯總。以下知識點(diǎn)雖然都是在Fluent中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，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(guān)鍵知識點(diǎn)匯總
?網(wǎng)格方面：空氣域需要有邊界層網(wǎng)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(wěn)態(tài)時間常數(shù)，時間步長取其1/4左右
?P-V耦合
‐推薦使用coupled; CFL設(shè)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(wěn)定后切換到二階
?Bodyforce 松弛因子不宜大于0.5
?必要時可關(guān)閉溫度的二階梯度
以下是對上述點(diǎn)具體實(shí)現(xiàn)的描述：
在WTM中可實(shí)現(xiàn)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(guān)閉溫度二階梯度
相關(guān)資料：
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來源：Ma Shihu，Jing Wenming，Ansys 流體大本營
展開 盒式自然散熱產(chǎn)品散熱設(shè)計和熱仿真方法 ￥29.9
對于室內(nèi)封閉的盒式自然散熱產(chǎn)品，熱量終歸要全部通過外殼散失到空氣中去。目前絕大多數(shù)電子產(chǎn)品，仍然采用自然散熱設(shè)計。本文檔以一個盒式設(shè)備為例，從需求分析，到中間各環(huán)節(jié)的散熱方案改進(jìn)做了詳細(xì)闡述，并列示了這類產(chǎn)品熱仿真設(shè)置關(guān)鍵注意事項。
文檔還論述了一種新型散熱方案的巨大優(yōu)勢。
伏圖-電子散熱模塊介紹和路由器自然散熱仿真應(yīng)用
jishulink" rel="noopener noreferrer" target="_blank">【第12期】伏圖(Simdroid)電子散熱模塊介紹和路由器自然散熱仿真應(yīng)用 - Simapps Store - 工業(yè)仿真APP商店</a></p><p><strong>系列直播回放：</strong><a href="https://www.simapps.com/v/225936.html?jishulink" rel="noopener noreferrer" target="_blank"><strong>“仿真APP賦能千行百業(yè)”系列直播-合集 - Simapps Store - 工業(yè)仿真APP商店</strong></a></p>
展開 請問自然對流和強(qiáng)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(qiáng)制對流的邊界層厚度怎么計算？
自然散熱終端和復(fù)雜機(jī)柜熱設(shè)計優(yōu)化思路 & 仿真精度提升討論 ￥49.8
講述內(nèi)容為：
自然散熱終端產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計思路；
自然散熱仿真要點(diǎn)；
強(qiáng)迫風(fēng)冷產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計思路；
復(fù)雜強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)簡化分析方法；
熱仿真精度影響因素和具體提升方法。
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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(shè)置，需要知道哪些參數(shù)？要不要算對流換熱系數(shù)---
同心環(huán)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(huán)形域內(nèi)的自然對流。內(nèi)壁保持在比外壁更高的溫度，從而引起浮力誘導(dǎo)的環(huán)流。
計算域：外環(huán)半徑46.25 mm，內(nèi)環(huán)半徑17.8 mm
物質(zhì)屬性：物質(zhì)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(dǎo)熱系數(shù)為0.02967 W/m-K
邊界條件：外環(huán)溫度為327 K，內(nèi)環(huán)溫度為373 K
網(wǎng)格劃分
采用矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為1200
計算設(shè)置
本次計算為穩(wěn)態(tài)軸對稱計算，考慮重力影響。
物質(zhì)屬性
計算物質(zhì)設(shè)置密度等參數(shù)
湍流模型
選擇為層流
能量方程
激活能量方程
邊界條件
設(shè)置內(nèi)外壁面的溫度
求解控制
（1）求解方法
（2）松弛因子
計算結(jié)果
計算域云圖展示
溫度云圖
計算值與實(shí)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(xiàn)
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 什么是自然對流Boussinesq假設(shè)？
電子散熱冷卻中經(jīng)常采用Boussinesq假設(shè)來計算自然對流散熱，該方法計算速度快，計算穩(wěn)定性高。
本文主要講述采用Boussinesq假設(shè)的自然對流原理、關(guān)鍵點(diǎn)及應(yīng)用條件，下一篇會講述具體的應(yīng)用案例。
為什么要采用Boussinesq假設(shè)？
自然對流主要由于密度受熱變化產(chǎn)生密度差造成，該現(xiàn)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(wěn)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(nèi)存需求比較大。
Boussinesq假設(shè)即為解決上述問題而產(chǎn)生，當(dāng)然既然是假設(shè)，自然有一些適用前提，Boussinesq假設(shè)氣體密度變化非常小。
Boussinesq假設(shè)在方程中如何表現(xiàn)
好吧，下面講述一些枯燥的理論，即Boussinesq假設(shè)如何在方程中表現(xiàn)。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(jù)假設(shè)，其中△ρ遠(yuǎn)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(qū)動力，因此動量方程（5）中的浮力項也是占主導(dǎo)作用，且密度變化△ρ遠(yuǎn)小于參考密度ρ0,因此對于瞬態(tài)項、對流項可以忽略△ρ，即
最終簡化為
可以看到此時瞬態(tài)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(biāo)是把浮力項中的密度也消去，這樣方程的非線性、內(nèi)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(shù)β。
展開 Boussinesq自然對流應(yīng)用案例
上節(jié)主要說了采用Boussinesq假設(shè)的自然對流基礎(chǔ)理論，本節(jié)會講一下相應(yīng)的Fluent應(yīng)用案例，重點(diǎn)針對Boussinesq假設(shè)相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)置詳細(xì)說明。
1.設(shè)置要點(diǎn)
首先不說廢話，先概括一下設(shè)置要點(diǎn)。如上節(jié)所述，我們已經(jīng)知道Boussinesq假設(shè)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(shù)β及操作溫度T0。
那么該設(shè)置要點(diǎn)就是：
（1）勾選重力加速度
（2）設(shè)置操作密度ρ0、熱膨脹系數(shù)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(nèi)發(fā)生湍流自然對流，可以推算空腔內(nèi)溫升并不大（溫升在20%以內(nèi)），適用于Boussinesq假設(shè)。
3.操作流程
（1）進(jìn)行總體設(shè)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(jìn)行模型設(shè)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(jù)雷諾數(shù)進(jìn)行判斷，而是根據(jù)瑞利數(shù)Ra進(jìn)行判斷：
層流和湍流的過渡區(qū)間很大，F(xiàn)luent幫助文檔給出Ra=1e8作為參考，認(rèn)為Ra>1e8時為自然對流湍流，相反為層流，大多數(shù)自然對流都為層流，本例較為特殊。
（3）進(jìn)行材料屬性關(guān)鍵設(shè)置。進(jìn)行材料屬性設(shè)置前，首先進(jìn)行操作溫度T0設(shè)置,操作溫度一般選擇環(huán)境溫度，可以按照下圖原則進(jìn)行設(shè)置。
展開 
分享：空腔內(nèi)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(nèi)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(zhì)屬性：密度選擇Boussinesq假設(shè)，比熱為1005J/kg-K，粘度1.81e-05kg/m-s，摩爾數(shù)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(wǎng)格劃分
采用矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為24300
注意：這里在上下方各設(shè)置長度為0.05m的固體域
計算設(shè)置
本次計算為穩(wěn)態(tài)湍流計算，考慮重力影響。
物質(zhì)屬性
計算空腔內(nèi)流體物質(zhì)為空氣，設(shè)置它的密度、比熱、粘性等參數(shù)
設(shè)置上下兩側(cè)固體域物質(zhì)為硬橡膠
湍流模型
選擇雷諾應(yīng)力湍流模型
能量方程
激活能量方程
邊界條件
設(shè)置左右兩側(cè)高、低溫墻壁的溫度
設(shè)置上下兩側(cè)壁面為絕熱條件
設(shè)置流體域與固體域之間的墻壁邊界參數(shù)
設(shè)置求解方法和松弛因子
計算結(jié)果
計算域溫度場云圖
計算域速度場云圖
計算值與實(shí)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(xiàn)
P.L. Betts, I.H. Bokhari. "Experiments on turbulent natural convection in an enclosed tall cavity".
展開 傳熱計算-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。
[案例分析]STARCCM+入門系列之——同心圓柱的自然對流
因為預(yù)期流動將圍繞中心線對稱進(jìn)行，所以僅需要使用一半幾何，如下所示：
STAR-CCM+設(shè)置
（1）本案例流體是牽涉到溫度的自然對流問題，且流速很慢，因此選擇理想氣體的層流。本案例物理連續(xù)體的設(shè)置如下：
（2）在物理連續(xù)體的修改理想氣體的動力粘度和導(dǎo)熱率。
（3）在Regions >ConvectionCylinders節(jié)點(diǎn)，把圓柱的內(nèi)壁和外壁的熱規(guī)范都改成溫度。然后把內(nèi)壁的溫度改成306.3K，外壁溫度改成293.7K。（2）在物理連續(xù)體的修改理想氣體的動力粘度和導(dǎo)熱率。
（3）在Regions > ConvectionCylinders節(jié)點(diǎn)，把圓柱的內(nèi)壁和外壁的熱規(guī)范都改成溫度。然后把內(nèi)壁的溫度改成306.3K，外壁溫度改成293.7K。
（4）在Solvers> Coupled Implici節(jié)點(diǎn)，把庫朗數(shù)修改成100，加速收斂。點(diǎn)擊運(yùn)算按鈕，計算結(jié)果如下：
圓柱中溫度分布
圓柱中速度矢量分布
本文轉(zhuǎn)自有限猿仿真博客，感謝原作者。如有侵權(quán)請立即聯(lián)系刪除。
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 