搜索Fluent流固耦合传热问题
2017-08-25 by:CAE仿真在线 来源:互联网
Ansys结构分析模块mechnical本身具有热分析功能,但是当热边界条件比较复杂并且涉及流体换热时,显然使用该模块就难以解决。因此这里简单叙述下如何使用fluent进行简单的流固耦合传热问题。
说明:整体分析会走solidwroks-hypermesh-ansys流程,因此会详细说明如何使用hypermesh处理该模型以及导入fluent中。
1.问题描述
一手机置于桌面上,内部芯片发热功率为1W,芯片材料为铜:密度8900kg/m^3,导热系数398W/(m.K) 机身材料为铁:密度7850kg/m^3,导热系数81.1W/(m.K)。试分析来流风速1m/s(室温取289K)时,机身的温度分布情况(机身与桌面之间的换热系数为5W/(m^2.K)简单这样处理下)。
2.几何模型建立
几何模型比较简单,使用solidworks分别建立芯片,机身与空气三部分。由于solidworks貌似不提供基本布尔操作命令,这里直接使用拉伸以及拉伸切命令即可建立三部分。由于模型对称,也可以直接建立一般的模型,这里先建立全部模型,随后到hypermesh切开。
3.网格划分
A.将建立好的模型另存为x_t格式,导入hypermesh中。首先将模型切成两部分,只留一半进行分析以降低计算量,然后进行极为重要的一步:关联几何体。由于使用fluent进行流固耦合分析时,需要各个分析域共用节点,这样fluent才能通过读取交界面自动生成匹配的耦合面。而从sw倒过来的几何体之间是不相关,因此使用hypermesh的关联几何体功能保证几何体网格的连续性,这比分开划分再合并节点要省事儿得多。实现该步骤使用如下命令:
B.将三个体关联之后,为了得到更好的网格,需要对该几何模型进行切分,使用solid edit中的用面切割体,得到如下切割好的几何模型:
C.切割完成之后,由里向外,逐渐生成三维网格。其中芯片网格尺寸采用0.5mm,机身采用1mm,空气采用3mm。为了使得空气与近机身部分网格尺寸相差不那么大,使用偏置来实现网格近密远疏。最终划分得到如下三维网格:
4.命名边界条件类型
这里总共需要定义五类边界:壁面,对称面,耦合传热面,进口,出口。边界的命名需要使用工具find face,将需要定义的边界面单元移动到建立好的集合中。这里以流体域的各类边界为例进行说明:
单独显示空气域网格,使用tool-faces,选择所有单元,然后点击find faces,即可生成流体域的外围面网格。然后建立五个组件,分别来存放进口网格,出口网格,对称面网格,下壁面网格,其余壁面网格。最后使用tool-organize将对应面网格移动到对应组建中,移动好之后如下(同理完成其他边界的命名与存放):
上述操作完毕后,最后进行耦合面的命名。对于耦合面,我们只需要单面网格就行,这和交界面不一样。例如:芯片与机身的耦合面我们只需要定义一个耦合面如chip-base,导入fluent之后会自动根据重合节点生成chip-base-shadow。
全部定义完之后得到总体网格如下:
然后导出为cfd-fluent的.cas文件就行了。
5.Fluent设置
打开ansys workbench,拖入fluent模块,导入刚才的.cas网格模型即可。双击Fluent主程序,打开能量方程,定义流动类型为层流,按照上述参数定义两种固体材料,流体使用空气默认即可。
在cell zone condition中定义芯片热功率密度如下:
然后按照前面的说明调整各类边界条件,其中耦合面都属于wall类型,温度条件都选择为coupled(可以看见软件自动生成了另一半耦合面,这与交界面的定义不同)。
最后设置求解器为隐式耦合求解器,其余默认,初始化后进行求解,大概53步后结果收敛如下。
6.后处理
下面是cfd-post中扩展后得到的机身温度分布云图+周围流场矢量图以及整体温度渲染图:
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