共轭传热分析实战:Fluent三维建模到结果可视化

前言

共轭换热是指一种,和一般换热不同之处在于共轭换热在计算的时候,为了得到高效和准确的求解方法,应该将温度参数在迭代方程中隐式处理,在方程层面上联立求解,实现所谓的耦合共轭求解的技术。本文针对共轭传热问题详细介绍如何利用DesignModeler建立三维模型,利用Meshing进行格网划分,Fluent进行模型计算,CFD-Post进行计算结果可视化。

1、研究内容介绍

本文研究共轭传热现象,分析在一定空气范围内在入口一定风速的作用下,电路板与芯片的换热情况。

2、DesignModeler建立三维模型

1、打开workbench,拖入Fluent
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2、右键Geometry,打开DesignModeler
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3、在XY平面建立草图
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3、在上面建立的草图绘制矩形电路板
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4、设置横向纵向长度。横向设置为0.5m,纵向设置为0.008m
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5、将电路板拉伸0.2m,构建三维模型
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6、绘制电路板上的芯片,先选中电路板上的面,创建一个面作为基面,再在这个基面上创建草图
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7、在上面创建的草图中绘制芯片
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8、将芯片拉伸为三维模型
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9、再在上面创建的基面Plane6上创建一个草图,用于建立空气层
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10、在草图上绘制和基面大小相同的矩形
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11、拉伸形成空气层的三维模型
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12、选择Boolean操作,将芯片与空气体分离(也就在空气体中挖掉芯片的部分,用减法操作)
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13、目前模型中包含3个独立的部分,我们进行耦合操作,就需要将这个三个部分合为一个part
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3、Meshing进行格网划分

1、进入Meshing
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2、分别为part下的各个实体命名,包括电路板(board),芯片(chip),空气体(air)
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3、如果直接进行网格划分,芯片会划分过于稀疏,因此为芯片添加网格控制
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4、将Geometry选择为芯片的各个边
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5、划分网格
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6、命名入口,出口,空气体壁面,电路板壁面,空气耦合面,电路板耦合面
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4、Fluent进行模型计算

1、进入Fluent
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2、考虑重力影响,设置重力加速度
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3、选择模型,打开能量方程和湍流方程
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4、设置材料,采用默认的空气材料和铝材料
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5、设置计算区域的材料,空气体材料设置为空气
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6、电路板材料设置为铝
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7、芯片材料设置为铝,同时设置热源
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8、设置边界条件。入口边界条件,设置入口风速为0.5m/s,入口温度为300
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9、设置出口温度为300K,表压为0
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10、设置空气壁面对流换算系数为1.5
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11、设置电子板壁面对流换算系数为2
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12、空气耦合面,电路板耦合面热量条件设置为耦合方法
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13、求解方法设置为耦合求解器
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14、计算初始化
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15、迭代计算,迭代次数设为50次
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16、检查质量(连续性方程)是否守恒,发现入口和出口流量基本接近于0,满足质量守恒,分析结果具有很大的可信性
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5、CFD-Post进行计算结果可视化

1、进入CFD-Post
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2、插入一个平面位置,方向选择为xy
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3、创建云图,并将位置选择为刚刚新建的平面,然后查看压力等各计算值
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4、压力图
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5、温度图(很明显可以看到芯片将温度传给了电路板)
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6、速度图
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7、查看平面上温度的动画
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8、查看芯片导热给电路板温度图
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