本教程演示利用Fluent模拟展翅散热片自然对流换热。

本教程演示如何执行以下任务：

• 设置操作条件和材料特性，以便在FLUENT中求解自然对流
• 为浮力流定义压力边界条件
• 为浮力流选择适当的求解控制
• 进行能量平衡及传热系数后处理

1 问题描述

案例散热器模型如下图所示。

计算区域模型如下图所示。

2 Fluent设置

• 以 3D、double-precision启动Fluent
• 读取计算网格heatsink-natl-conv-poly.msh.gz

计算网格如下图所示。

2.1 Models设置

• 激活能量方程

• 采用层流模型

注：自然对流的流型需要采用瑞利数进行判断。本案例瑞利数大约为2.7e4。

2.2 Materisls设置

• 从材料库中添加材料Copper
  

  

• 新建材料grease，采用下图所示材料参数
  

  

• 新建固体材料component，如下图所示设置材料参数
  

  

• 修改材料air的属性参数，如下图所示

2.3 区域设置

• 设置区域copper的介质材料为copper

• 设置区域heater材料介质为grease，激活选项Source Terms

• 指定区域热源为2325000 w/m3

• 其他区域采用默认设置

2.4 边界条件设置

• 如下图所示同时设置边界outlet-fluid及outlet-fluid.1

• 设置Backflow Toal Temperature为298.15 K

• 如下图设置边界wall-heater-copper

注：这代表了在加热器和铜板之间施加的0.1毫米热润滑脂的热阻

• 如下图所示，将边界wall-heater-copper参数拷贝到边界wall-copper-heatsink

2.5 操作条件

• 点击按钮Operating Conditions…打开操作条件设置对话框

• 如下图所示设置操作条件

在操作条件面板中，定义负z方向的重力，并将操作密度设为1.183975 kg/m，这是在工作压力(101325 Pa)、环境温度为298.15K下的空气密度。只有在选择了Boussinesq作为材料面板的密度时才使用操作温度，因此这里可以忽略它。

2.6 Methods设置

• 如下图所示设置求解算法

2.7 Controls设置

• 设置计算控制参数

2.9 Monitor设置

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2.10 定义监测

• 如下图所示定义监测点

• 监测点位置的平均速度

• 监测heatsink的平均温度

2.11 初始化并计算

• 如图所示进行初始化

• 如图所示设置迭代参数并进行计算

注：若计算无法迭代，可调低残差标准。

3 计算结果

• 温度监测值

• 速度监测结果

• 查看换热率

• 散热器表面温度分布

• 对称面上温度分布

• 设置参考值

• 统计表面换热系数

• 换热系数如下图所示

4 操作密度

• 在包括浮力和压力边界的问题中，计算结果取决于操作密度
• 输入的操作密度值应等于在环境温度和压力下的流体密度。多数情况下，边界表压设置为0，因此绝对压力等于操作压力。
• 在许多情况下，操作密度中多包括几位有效数字对于计算收敛是有益的(有时甚至是关键的)。

手工计算密度比较麻烦，比较常用的方法是利用Fluent进行估计：

• 指定材料介质密度（如不可压缩理想气体），并将介质分配到流体区域
• 进入初始化面板，指定Temperature

注：初始化之后才能进行后处理密度查看。

• 进入Volume Integrals面板获取密度

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提取码：t1mm

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本篇文章来源于微信公众号: CFD之道