Fluent热分析：墙面散热边界条件设置技巧

01介绍

在处理某些散热分析问题的时候，会遇到整个散热系统拥有水、空气、油等多相流体的情况，当各流体相对独立，不互相干涉的情况下，出于简化仿真计算及程序设置的目的，可以对删除某个流体的流场，直接在传热面设置边界条件。

02模型

这里以一个简单的散热器为例，简单讨论一下墙面边界条件设置中，辐射影响的必要性。散热器模型由发热源、铜板、铝散热装置组成。因为暂时只讨论边界面设置问题，所以没有对外部流场进行建模，而是直接对固体外壁设置对应的边界条件。通常来讲，温度较低的情况下，辐射散热可以忽略。在本案例中，将通过简单的分析，确定辐射散热在本次仿真中是否真的可以忽略。

03对流散热

首先将固体墙面设置如图1，只考虑对流散热，得到的温度分布如图2，最高温度约为317K。

图1 convection条件设置

图2  convection设置下的温度分布

04理论公式

在得到这个初步结果以后，可以对这个散热问题进行理论分析，计算并对比对流与辐射散热能量的级数。如果两者处于同一量级时，则辐射散热不能忽略。

对流传热：

辐射传热：

其中ε是表面辐射系数，介于0和1之间，σ是斯忒藩-玻耳兹曼常数，等于。

05对流辐射混合散热

根据仿真数据进行估算、，其中ε取值0.5。两者量级相近，辐射散热影响并不能忽视，应该将边界条件改为混合类型，具体设置如图3

图3 Mixed条件设置

图4 Mixed设置下的温度分布

对比两个温度分布结果，温度分布梯度基本相同，当考虑到辐射散热后，最高温度从317.1K下降至310.5K，这个差距较为明显。

06进阶验证及结论

为了进一步验证结论，增加外流场（空气）的建模，计算散热器在自然对流及辐射散热情况下的温度分布。

图5, 外流场建模后的温度分布

图5左侧是只考虑自然对流不考虑辐射散热的结果，右侧是同时考虑对流及辐射的结果，两种情况下的温度分布大致相同，但是最高温度分别是320K和315.9K，此时散热器的平均传热功率系数约为。此前在无外流场的模型中传热功率系数设置为，这也导致了两种建模计算结果的差异。

综合来看，在本次散热器的热分析仿真中，辐射散热的影响是不可以忽略的。            

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