STARCCM+入门：显卡冷却热交换实战

热传递是不同温度下介质之间热能的交换。 热量从温度高的位置传递到温度低的位置，以达到平衡状态。 热传递的三个主要机制是：传导、对流和辐射。

在STAR-CCM+ 中，可以计算流体（单组分或多组分）内、不同流体束之间、流体和固体之间以及固体内的热传递。 流体和相邻固体中的耦合热传递被称为共轭传热。 对于共轭传热分析，使用流体/固体交界面处的有效隐式热耦合在整个流体和固体求解域中求解能量方程。 所有其他守恒方程仅在流体内进行求解。

1、 问题描述

本案例使用的几何由 PC 机箱中的简化显卡组成。两个风扇由风扇交界面表示，驱动机箱内的流体。计算域如图所示：

2、 几何与网格

1）本案例的几何网格采用从外部导入的方法，启动STAR-CCM+软件，点击file→Import→Import surface mesh，选择准备好的选择graphicsCard.x_t，然后单击，接受默认的导入表面选项打开。

2）共导入26个零部件，在导入的过程中，会在重合的零部件之间自动生成零部件接触。

3）本案例的模拟需要两个区域，一个用于流体域，一个用于实体部件，在Geometry > Parts > Air Case节点，点击右键选择Assign Parts to Regions在生成的对话框中，选择Air Case, Air Inlet和 Air Outlet，把空气域变成一个region。命名为Air ；同样的方法把剩下的固体部件设置为一个reigon，命名为Solid Components

4）右键点击Geometry > Operations节点，选择New > Mesh > Automated Mesh，选择以下四种网格模型；

5）由于显卡上的几何很薄，需要使用自定义控制修改显卡上的网格，并且禁用实体域的棱柱层网格；右键点击Geometry > Parts节点，选择New Shape Part > Block，自定义块的尺寸控制如下；

6）右键单击Operations > Automated Mesh > Custom Control。选择New > Volumetric Control节点，Volumetric Control加入到Custom Controls节点，Volumetric Control的部件选择，block，激活自定义控制棱柱层网格厚度选项，将棱柱层总厚度设置为10%；


7）右键Custom Controls，选择New > Part Control，在Part Control节点，选择所有的固体部件；激活薄体网格，自定义薄网格厚度，控制薄体网格厚度最大尺寸为4mm。


8）创建自定义控制，以禁用实体域内各部件的棱柱层并自定义表面尺寸右键Custom Controls，选择New > Surface Control.，在Surface Control.节点，选择所有的固体部件；激活自定义表面尺寸，禁用棱柱层网格，目标表面尺寸的百分比为25%；


9）点击生成体网格；

3、STAR-CCM+设置

1）右键continua→new→physics continuum，右键continua下面新出现的physics 1，重命名为solid，选择相应的湍流模型；

2）展开Continua > Solid Components > Models > Multi-Part Solid node；右键solid节点，选择Select Mixture Components；在展开的材料库中随意选择四个材料，将其重命名为ABS, Aluminum, Alumina,和Silicon。四种材料的设置如下：

3）PCB板由FR-4 玻璃增强层压板和铜箔层构造而成。因此，PCB 在同一层中具有相同的导热率，但在各层之间具有不同的导热率。将 PCB 材料添加到固体混合物；右键点击Solids节点，选择Select Mixture Components，展开材料库固体节点，随意选择一个材料，将其重命名为FR-4 + Copper，将FR-4 + Copper的密度，比热改为下表；


4）为空气域创建物理连续体，创建物理连续体，将其重命名为air，模型选择如下；

5）将air与流体域关联起来，将固体关联给实体部件。

6）将空气入口边界条件设置为Stagnation Inlet，将空气出口的边界条件设置为Pressure Outlet.；在Regions > Solid Components > Physics Values > Material Part Groups节点，选择Aluminum 节点 ，在part中，选择GPU Chip，Heatsink Block，Plate，Port Block 1，Port Block 2，Port Block 3。同样的设置把Capacitor 1 到 Capacitor 6的材料设置为Alumina；Memory Chip 1 到Memory Chip 8的材料设置为Silicon；Inlet Fan Casing和outlet Fan Casing的材料设置为ABS，把pcb板的材料设置为FR-4 + Copper；

7）设置热源；在Regions > Solid Components属性中勾选Allow Per-Part Values，这样在Solid Components节点下出现Part Subgroupings节点，在Part Subgroupings节点设置三个Subgroup 1，分别命名为Default，GPU Chip和Memory Chips，把Memory Chips的对象设置为Memory Chip1~Memory Chip8，GPU的对象设置为GPU Chip；展开Solid Components > Physics Conditions节点，将Energy Source Option的方式设置为Total Heat Source.，把GPU Chip的热量设置为25w，把Memory Chips的内能设置为32w。

8）定义PCB板的各向异性导热率；由于PCB由多个层面构成，相同层面内的导热率相同，但各层面的导热率会有所差异；展开Regions > Solid Components > Physics Values > Anisotropic Thermal Conductivity >FR-4 + Copper > Anisotropic Thermal Conductivity，在属性界面把XX Component，YY Component，ZZ Component的值设置为10，0.5，10；

9）在file→auto save，自动保存文件数为1，保存步数为200步；

10）点击计算，开始求解；

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