本算例演示利用Fluent模拟安装在PCB上的电子元件的自然对流散热。

1 问题描述

几何模型如下图所示。对于这类涉及到共轭传热的问题，建议对几何进行共享拓扑处理。

装置竖直放置，重力加速度为Y方向-9.81 m/s2。

计算条件如下图所示。计算区域中包含有一个75W的热源，采用空气自然对流散热，入口采用压力入口，指定总压0 Pa，环境温度45 C。出口边界采用压力出口，指定静压为0 Pa，设置回流温度为45 C。

计算区域中同时包含有固体和流体区域，在生成网格时生成共节点网格。固体区域的网格可以适当粗一些，以降低计算量。

2  Fluent设置

• 以3D、Double Precision方式启动Fluent
• 利用菜单File → Read → Mesh… 打开网格文件heatsink.msh.gz

2.1 General设置

进入General面板。

• 指定温度的单位为摄氏度C，如下图所示

• 采用压力基稳态计算，设置重力加速度为Y方向-9.81 m/s2

2.2 模型设置

• 激活能量方程

• 采用层流计算

注：自然对流是层流还是湍流，可以通过估算瑞利数进行确定。

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• 鼠标双击模型树节点Radiation 打开辐射模型设置对话框，点击按钮Compute/Write/Read...创建角系数文件

2.3 Materials设置

• 修改air的密度为incompressible-ideal-gas

注：当温差较小时，密度也可以设置为Boussinesq，并设置密度为常数。

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• 创建新的固体材料介质fr-4，采用下图所示的材料参数

• 创建新材料介质component，采用下图所示的材料参数

2.4 设置操作条件

• 打开操作条件设置面板，如下图所示设置参数

注：当密度设置为incompressible ideal gas时，需要设置Operating Density。若密度设置为Boussinesq，则需要设置Operating Temperature。

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2.5 设置区域

• 设置区域solid_board的材料介质为fr-4

• 设置区域solid_heatsource的材料介质为component，激活选项Source Terms并指定能量源为635000 W/m3

注：能量源的值为热功率与体积的比值。热源的体积可以通过测量的方式获取。

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2.6 边界条件

1、inlet边界

• 设置总压为0 Pa

• 设置温度为45 C

2、outlet边界

• 指定出口静压为0 Pa

• 指定回流温度为45 C

3、wall_outer边界

• 指定内部发射率为0.9

4、wall_heatsource边界

• 指定内部发射率为0.3

5、wall_board边界

• 指定内部发射率为0.9

3、wall_heatsink边界

• 指定内部发射率为0.9

2.7 设置监测

• 右键选择模型树节点Surfaces，点击菜单项New → Point…打开对话框

• 如下图所示参数创建点point-17

• 右键点击模型树节点Report Definitions，选择弹出菜单项New > Surface Report > Vertex Average，如下图所示监测point-17点处的温度

• 右键点击模型树节点Report Definitions，选择弹出菜单项New > Volume Report > Max…，如下图所示设置监测solid_heatsource区域的最大温度值

2.8 Methods设置

• 进入Methods面板，设置Pressure为Body Force Weighted或PRESTO!

2.9 设置残差

• 如下图所示设置残差值

注：本案例利用coupled算法及Pseudo Time Methods方法，要防止出现默认残差收敛但物理量未收敛的情况，可以将残差标准值设置得更低一些。

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2.10 初始化

• 采用默认方法进行初始化

2.11 进行计算

• 进入Calculate面板，如下图所示设置计算参数

注：这里设置Solid Time Step为User-Specified，可以指定一个更大的伪瞬态时间步长，这样计算得更快，但要防止计算振荡，若计算过程出现剧烈振荡，可以降低该参数值。

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3 计算结果

• 监测点的温度随迭代变化曲线如下图所示

• 监测到的solid_heatsource区域的最大温度随迭代变化曲线

也可以利用Volume Integrals查看体积区域的值。

• 双击模型树节点Volume Integrals

• 如下图所示可以查看所有区域的最大温度值

• 统计结果如下图所示，可以看到solid_heatsource区域的最大温度为95.905521 C

利用利用Fluxs查看与面有关的物理量的值。

• 双击模型树节点Fluxes打开设置对话框

• 选择Mass Flow Rate，选择所有边界，点击按钮Compute进行计算，可以统计得到所有边界的质量流量，查看Net Results为3.101856e-9，这是一个很小的值，可以认为计算区域内质量达到了守恒

• 选择Total Heat Transfer Rate，选择所有边界，点击按钮Compute进行计算，可以统计得到所有边界的传热率，查看User Source为74.9808 W，此功率与预设的75W误差很小，可以认为能量达到了平衡

• 查看壁面温度分布

• 查看散热器上的温度分布

链接：https://pan.baidu.com/s/1vPjGhLI6WAfmxPlim_CbOg?pwd=u5pw 提取码：u5pw

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（完毕）