搜索Fluent流固耦合傳熱問題
2017-08-25 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
Ansys結構分析模塊mechnical本身具有熱分析功能,但是當熱邊界條件比較復雜并且涉及流體換熱時,顯然使用該模塊就難以解決。因此這里簡單敘述下如何使用fluent進行簡單的流固耦合傳熱問題。
說明:整體分析會走solidwroks-hypermesh-ansys流程,因此會詳細說明如何使用hypermesh處理該模型以及導入fluent中。
1.問題描述
一手機置于桌面上,內部芯片發熱功率為1W,芯片材料為銅:密度8900kg/m^3,導熱系數398W/(m.K) 機身材料為鐵:密度7850kg/m^3,導熱系數81.1W/(m.K)。試分析來流風速1m/s(室溫取289K)時,機身的溫度分布情況(機身與桌面之間的換熱系數為5W/(m^2.K)簡單這樣處理下)。
2.幾何模型建立
幾何模型比較簡單,使用solidworks分別建立芯片,機身與空氣三部分。由于solidworks貌似不提供基本布爾操作命令,這里直接使用拉伸以及拉伸切命令即可建立三部分。由于模型對稱,也可以直接建立一般的模型,這里先建立全部模型,隨后到hypermesh切開。
3.網格劃分
A.將建立好的模型另存為x_t格式,導入hypermesh中。首先將模型切成兩部分,只留一半進行分析以降低計算量,然后進行極為重要的一步:關聯幾何體。由于使用fluent進行流固耦合分析時,需要各個分析域共用節點,這樣fluent才能通過讀取交界面自動生成匹配的耦合面。而從sw倒過來的幾何體之間是不相關,因此使用hypermesh的關聯幾何體功能保證幾何體網格的連續性,這比分開劃分再合并節點要省事兒得多。實現該步驟使用如下命令:
B.將三個體關聯之后,為了得到更好的網格,需要對該幾何模型進行切分,使用solid edit中的用面切割體,得到如下切割好的幾何模型:
C.切割完成之后,由里向外,逐漸生成三維網格。其中芯片網格尺寸采用0.5mm,機身采用1mm,空氣采用3mm。為了使得空氣與近機身部分網格尺寸相差不那么大,使用偏置來實現網格近密遠疏。最終劃分得到如下三維網格:
4.命名邊界條件類型
這里總共需要定義五類邊界:壁面,對稱面,耦合傳熱面,進口,出口。邊界的命名需要使用工具find face,將需要定義的邊界面單元移動到建立好的集合中。這里以流體域的各類邊界為例進行說明:
單獨顯示空氣域網格,使用tool-faces,選擇所有單元,然后點擊find faces,即可生成流體域的外圍面網格。然后建立五個組件,分別來存放進口網格,出口網格,對稱面網格,下壁面網格,其余壁面網格。最后使用tool-organize將對應面網格移動到對應組建中,移動好之后如下(同理完成其他邊界的命名與存放):
上述操作完畢后,最后進行耦合面的命名。對于耦合面,我們只需要單面網格就行,這和交界面不一樣。例如:芯片與機身的耦合面我們只需要定義一個耦合面如chip-base,導入fluent之后會自動根據重合節點生成chip-base-shadow。
全部定義完之后得到總體網格如下:
然后導出為cfd-fluent的.cas文件就行了。
5.Fluent設置
打開ansys workbench,拖入fluent模塊,導入剛才的.cas網格模型即可。雙擊Fluent主程序,打開能量方程,定義流動類型為層流,按照上述參數定義兩種固體材料,流體使用空氣默認即可。
在cell zone condition中定義芯片熱功率密度如下:
然后按照前面的說明調整各類邊界條件,其中耦合面都屬于wall類型,溫度條件都選擇為coupled(可以看見軟件自動生成了另一半耦合面,這與交界面的定義不同)。
最后設置求解器為隱式耦合求解器,其余默認,初始化后進行求解,大概53步后結果收斂如下。
6.后處理
下面是cfd-post中擴展后得到的機身溫度分布云圖+周圍流場矢量圖以及整體溫度渲染圖:
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