原標題：算例分享:某型無厚度翅片水冷板散熱的Fluent仿真分析

　　隨著科技的發(fā)展，各種類型的工業(yè)品呈現出集成化、智能化、微型化的趨勢，部件的熱流密度也隨之大幅增加，普通的風冷散熱在很多場景都已經無法滿足需求。液體冷卻的常用冷卻工質為水，或者配比不同體積分數的乙二醇混合，以增強穩(wěn)定性。

　　因此，為了適應大幅度散熱的需求，水冷板散熱器被廣泛的應用于各類工業(yè)品的散熱冷卻，比如電動汽車電池包、光伏逆變器、電動汽車控制器、醫(yī)療器械、IT服務器、變流器、軍用各類電子控制機箱等。相對于傳統(tǒng)的強迫風冷散熱，水冷散熱能有效提高系統(tǒng)的散熱效果，增大散熱功率，且較容易實現高防護等級。

　　本算例基于某型水冷板進行Fluent仿真分析，著重介紹工作流程；該產品主要個性化特點是冷板的外部，焊接了大量的波浪形散熱翅片，用來提升散熱效果。

　　一、幾何處理

　　對于大多數的水冷板散熱問題，工作思路較為明確，仿真中的物理條件設定也相對簡單；該類問題的主要難點在于幾何處理，常見的問題有以下幾個方面：

　　① 部分散熱翅片厚度較小，如劃分三維幾何則工作量巨大，需做無厚度處理；

　　② 部分散熱區(qū)域連接處有曲線相切的情況，如不處理則網格質量極差；

　　③ 部分幾何在格式轉換中存在問題，需要手動修復；

　　④ ……

　　本算例由仿真秀-Fluent交流群某網友提供，它基于某型水冷板進行仿真分析，主要介紹仿真思路及方法，因此對于幾何的規(guī)模進行了一定程度的縮減。

　　通過剖面圖可以發(fā)現，改型水冷板的翅片及箱壁厚度很小（0.1mm）如按照固體區(qū)域進行三維網格劃分，則網格數量將不可控制，不符合工程項目效率優(yōu)先的思想，為此必須要進行薄殼化處理。

　　同時，該模型周期性較強，但幾何規(guī)模較大。因此，本算例適當的減小了幾何的規(guī)模，但仍舊可以較好的說明該問題的仿真工作思路，同時可以增加學習效率。

　　1、幾何修復及檢查：該幾何僅包含實體，且并沒有干涉和間隙，因此不需要做任何的幾何修復工作。

　　2、內流場獲取：通過SCDM中“體積抽取”功能，可以快速獲取流體區(qū)域（只包含水）。

　　獲取內流場后，使用“拉動、移動、直到”等功能對內流場的尺寸進行調整，去掉所有的狹縫區(qū)域，目的是減小網格的數量。

　　原固體箱體區(qū)域則不予保留，簡化為水部分流體幾何的外邊界（無厚度），該邊界兩側均為流體區(qū)域，內部是水，外部是空氣。

　　3、翅片區(qū)域處理

　　翅片區(qū)域有兩個問題：一是厚度較小、二是與箱壁相切。

　　翅片厚度較小，通過SCDM中“抽取中面”功能，可以將其簡化為無厚度面，有效減小網格數量，提高工作效率。

　　翅片周期性明顯，而且有相切的區(qū)域需要處理，因此先取一個周期進行修改，然后再陣列，可以提高工作效率。

　　通常CFD仿真中處理相切的方法就是增加一個臺階，對于本案例，同樣采用該種方式，首先把相切附近的面刪除掉，然后再把兩側融合起來，總的來講是按照以下“——————”四個步驟進行的。

　　**步：面分割

　　第二步：面投影

　　第三步：面刪除

　　第四步：面融合

　　融合之后，翅片還剩下與箱壁重合的區(qū)域，必須要一并劃分出來，因為稍后還要做周期陣列，當然本問題比較特別，翅片真巧完全切割了箱壁，因此即使不復制上下兩個平面原則上也可以完成相切的處理。但從更為完善嚴謹的角度來講，還是建議復制這兩個面進行下一步的操作。

　　翅片的周期操作，先把多個面拼接為一個面，再進行周期，出于仿真的授課目的，仍舊是采用了縮減規(guī)模的周期，原14個周期的翅片縮減為6個。

　　周期使用的是SCDM中“繪制”功能。

　　4、外流場獲取

　　對于外流場的獲取，采用SCDM中“外殼”功能即可。需要注意的是，對于內部區(qū)域也就是水的入口和出口，則不能包含在外流場內部，需要適當的延伸。因為水的進出口是外部邊界。

　　5、共享拓撲經過處理的SCDM文件結構樹相對較亂，有實體、有面，有外殼，有陣列……建議用鼠標框選所有的實體和面進行復制，然后粘貼到新的文件頁面中，可以有效去除掉不同層級不同類型的實體架構，更符合仿真分析（無層級之分）的幾何需求。

　　處理到新的文件中，需要進行共享拓撲的操作，建議使用19.0以上的版本進行操作，因為高版本的SCDM對于共享拓撲的穩(wěn)定性較好。在Workbench標簽中，選擇共享，隨后點擊對勾即可。

　　6、輸出幾何

　　必須輸出為.scdoc格式的文件，否則共享拓撲的效果將無法傳遞到網格劃分軟件中。

　　二、網格劃分

　　包含無厚度面的流體仿真問題，可以認為屬于復雜的幾何問題，建議使用Fluent Meshing進行網格劃分。當然，由于Fluent Meshing軟件門檻較高，本算例仍舊使用Workbench Meshing進行網格劃分。

　　1、讀入網格

　　由于Workbench Meshing嵌入在Workbench內部，因此必須打開Workbench才能打開Workbench Meshing 。

　　2、邊界命名

　　邊界命名包含體命名與面命名，體命名較為容易，空氣區(qū)域與水區(qū)域直接命名即可；面邊界命名相對較為復雜，建議按照以下步驟：

　　**步：命名出入口等外部邊界；

　　第二步：命名翅片與箱壁重合部位thick baffle，方法如下圖，可以一次性命名尺寸一致的所有面；

　　第三步：命名其他單獨的翅片，方法與2類似；

　　第四步：其他內部邊界不用命名，自動默認為是水與空氣之間箱壁的區(qū)域。

　　3、網格生成

　　由于采用的是抽取中面的方式進行的幾何處理，因此所有的面邊界都是帶厚度的，建議先全選，再將該類邊界的厚度設置為0。

　　網格劃分的設置，本例使用的是19.2版本，可能和其他版本有一定區(qū)別，詳情請參照下圖。

　　由于是示意算例，因此只有全局設置，不需要其他額外的任何設置。當然，如果從更為嚴謹的角度來看，還是建議添加邊界層網格。

　　4、網格檢查及輸出

　　網格質量和數量如下圖所示，輸出方式采用export方法。

　　三、求解設置

　　1、讀入網格

　　由于是使用Workbench Meshing進行的網格劃分，因此在單位上并不需要做任何的處理。網格的顯示情況如下圖所示，可以發(fā)現所有的無厚度面均可以單獨顯示。

　　需要注意的是，本例中的無厚度面默認是interior類型，需要更改為wall類型。

　　2、求解設置

　　該問題的求解設置相對簡單，按照以下步驟處理即可。

　　**步：打開能量方程；

　　第二步：打開湍流方程；

　　第三步：設置兩種流體材料；

　　第四步：設置空氣的進出口；

　　第五步：設置水的進出口；

　　第六步：設置無厚度壁面的厚度及材料；

　　第七步：其他求解設置保持默認即可，進行仿真計算。

　　3、后處理情況

　　如下圖所示。

　　四、相關說明

　　由于本例屬于示意算例，因此簡化程度較大，僅為介紹仿真思路。

　　1、由于該算例并未給定合理的固體材料屬性以及完整的幾何場景，因此該算例的結果不具有任何的參考意義。

　　2、在幾何規(guī)模進行了大幅縮減后，網格數量仍舊達到了4.4M，初步估計完整幾何（帶邊界層）的仿真計算，網格數量將在80-90M左右，是非常考驗工程師水平的大規(guī)模仿真問題。

　　3、*后建議用戶選擇高性能計算機進行處理。

　　作者：張老師，仿真秀科普作者。

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