应用FLUENT进行散热模拟

目录

目标 (3)

1.引言 (3)

2.CFD仿真过程 (4)

2.1控制方程 (4)

2.2单位 (4)

2.3材料物性参数 (5)

2.4几何与网格创建 (6)

2.5求解工况&计算域&边界条件 (10)

2.6结果分析 (10)

2.7结论 (15)

表格清单

表1 单位系统（国际单位制） (5)

表2 空气理想气体物性表 (5)

表3 冰箱塑料内胆物性表 (5)

表4 冰箱隔热层物性表 (6)

表5 冰箱外壁物性表 (6)

表6 计算域划分与边界条件 (10)

图片清单

图1 冰箱外形示意图 (3)

图2 冰箱几何尺寸示意图（单位：mm） (4)

图3 采用Icem创建的冰箱几何模型 (7)

图4 冰箱外表面网格 (8)

图5 冷藏室外表面网格 (8)

图6 冷冻室外表面网格 (9)

图7 截面体网格（x=300mm） (9)

图8 瞬态计算残差曲线 (11)

图9 冷藏室中心点温度时间曲线 (11)

图10冷冻室中心点温度时间曲线 (12)

图11 Z=300mm处的温度曲线 (12)

图12 Z=300mm处的速度曲线(a)冷藏室 (b)冷冻室 (13)

图13 冷藏室温度达到5℃时Z=300mm处截面的速度云图 (14)

图14 冷藏室温度达到5℃时Z=300mm处隔热层温度分布云图 (15)

目标

本报告旨在通过ANSYS 旗下软件ICEM 、FLUENT 进行美的冰箱的仿真。在35℃环境温度下，求解得到冰箱启动后的冷藏室和冷冻室温度从35℃分别降温到5℃和-18℃的降温曲线。 1. 引言

冰箱由冷藏室、冷冻室两个独立空间组成，室内空气采用自然对流方式进行热传递；此外，还需要考虑冷量通过塑料ABS 内胆、隔热层和冰箱外壁钢板的损失。 冰箱外形如图1所示:

冰箱几何尺寸示意图如图2冷藏室 F

冷冻室 R

图2 冰箱几何尺寸示意图（单位：mm）

2.CFD 仿真过程

本次仿真所用网格采用ANSYS○R ICEM CFD生成，所后采用ANSYS○R Fluent作为求解器进行求解。

2.1 控制方程

根据Navier-Stokes方程，采用控制体积法进行离散。由于温度是冰箱的关键性能参数，因此除了考虑流动方程，即连续性方程、动量方程外，一定要考虑能量方程。

2.2 单位

本次模拟采用国际单位制，具体单位见表1。

表1 单位系统（国际单位制）

变量 单位 质量 kg 长度 m 体积 m^3 时间 s 温度 K 压力 Pa 力

N

2.3 材料物性参数

针对冰箱内的流动以自然对流为主的特点，因此必须考虑冰箱内空气密度变化对流场和温度场的影响，在此将空气作为理想气体处理，遵循以下理想气体方程：

(Eqn.2.3)

空气的物性参数如表 2所示。

冰箱内胆材料ABS 塑料物性如表 3所示。 发泡剂物性如表4所示。

冰箱外壁钢板物性如表5所示。

表2 空气理想气体物性表

空气理想气体 固液气相 气相

密度 1.85e-005 [kg m^-1 s^-1] 参考压力 1 [atm] 参考温度 25 [C]

热扩散系数 1.007E+03 [J kg^-1 K^-1] 定压比热容 Constant Pressure 导热系数

2.63E-2 [W m^-1 K^-1]

表3 冰箱塑料内胆物性表

ABS 固液气相 固相 密度 1050[kg m^-3] 参考压力 1 [atm] 参考温度 25 [C] 热扩散系数 7E-5

定压比热容 1.8E+03 [J kg^-1 K^-1] 导热系数

1.7E+2 [W m^-1 K^-1]

T R p p w ref 0)

(+=

ρ

表4 冰箱隔热层物性表

发泡剂

固液气相固相

密度70[kg m^-3]

参考压力 1 [atm]

参考温度25 [C]

热扩散系数 2.124E-5

定压比热容 1.045E+03 [J kg^-1 K^-1]

导热系数2E-2 [W m^-1 K^-1]

表5 冰箱外壁物性表

Steel_Rolled

固液气相固相

密度7850[kg m^-3]

参考压力 1 [atm]

参考温度25 [C]

热扩散系数 1.728E-5

定压比热容 4.34E+02 [J kg^-1 K^-1]

导热系数14 [W m^-1 K^-1]

2.4 几何与网格创建

¾几何创建

分析表明，冰箱单元结构为标准形体，如长方体、圆柱体等，并无复杂几何结构；因此采用ICEM CFD自带的几何创建功能生成冰箱几何模型；同时分析图2可知，冰箱沿X方向呈几何对称结构，因此取长度（图2所示X方向）的1/2尺寸、宽度和高度保持不变生成几何模型，如图3所示。通过这种方式，在保留冰箱几何特征的同时，能够减少1/2的网格数量，从而大幅度降低求解时间。

¾网格策略分析

考虑到冰箱几何的特点，即总体尺寸大（如冰箱外型尺寸，长：宽：高=600mm×600mm×1700mm），部分元件尺寸小（如冷凝管/蒸发管直径仅为10mm），这一特征给网格划分带来一定困难，普通网格生成软件难以快速生成有效的网格。ICEM采用先进的八叉树算法，具有先进的拓扑功能，能快速捕捉图形轮廓，分析几何特征，帮助使用者在较少的人工干预下，快速设置网格生成参数，得到较高质量的网格。