耦合热交换

Flow Simulation流体分析基础教程—耦合热交换（一）发表时间： 2011-3-23关键字: FlowSimulation流体分析FlowSimulation教程耦合热交耦合热交换展现了如何对涉及到固体导热的流动分析进行每一步基础的设置。

虽然说它的基本原则是适用于所有的散热问题，但对那些关注电子设备内流动和热交换的用户特别有借鉴意义。

本文为此展现一些更为详细的 b 的使用原则。

打开模型1. 复制First Steps - Electronics Cooling 文件夹到你的工作目录，此外由于 b 在运行时会对其输入的数据进行存储，所以必须确保文件处于非只读状态。

运行b，点击File，Open。

2. 在Open 对话框，浏览 First Steps - Electronics Cooling 文件夹找到enclosure_assembly.SLDASM 组件并且点击 Open。

准备模型在这个分析组件中存在很多特性，零件或子组件不需要分析。

使用 b 之前，仔细检查模型中不参与到分析中的元器件是一种良好的软件使用习惯。

剔除那些不参与到分析中的元件可以减少对计算机资源的要求和求解时间。

这个组件中包含了如下一些元件：外壳，主板，PCB板，电容，电源，散热器，芯片，风机，螺钉，风扇支架，盖子等。

通过点模型树中的特征，你可以看到所有的这些元器件。

在这个教程中我们通过对入口盖子内表面处的Fan设定一个边界条件来对风机进行仿真。

这个风机的几何外形比较复杂，重新生成的话需要一定时间。

因为风机的外壳在机壳之外，所以我们可以将其压缩，从而加快操作。

1. 在特性管理设计树中选择 FAN，和所有 SCREWs 及FAN_HOUSING 元件 (选择多个元件时，必须按住 Ctrl 键)。

2. 右击先前选择的任何一个元件并且选择Suppress。

之后点击Yes来确定压缩。

现在开始启动 b。

创建 b 项目1. 点击Flow Analysis，Project，Wizard。

2. 如果已经在向导状态，直接选择Create new，以便创建一个新的配置并且命名为INLET_FAN。

点击Next。

现在我们将创建一个名为USA Electronics 的新系统单位，这将更有助于我们进行分析。

3. 在 Unit system 列表选择USA系统单位。

选择Create new 对工程数据增加一个新的系统单位，称之为USA Electronics。

b 允许你使用预先定义好的系统单位，但通常你可以自定义常用的系统单位以便于分析。

无论是预定义的系统单位还是自定义系统单位都被保存在Engineering Database 中。

你也可以在Engineering Database 或Wizard创建你所需要的系统单位。

通过拉动Parameter 树中的滚动条，你可以看到对所有参数所设定的单位。

尽管绝大多数的参数都有一个常用的单位，诸如对于速度是 ft/s ，对于体积流是 CFM (每分钟立方英尺) 但是我们还是要改变一些对于这个模型而言更为方便分析的参数单位。

由于模型的几何参数比较小，所以用英寸来替代英尺来作为长度单位更合适。

4. 对于Length 框，双击Units 项并选择Inch。

5. 接着展开Parameter 树中的 Heat 组。

为了我们更为方便的处理电子设备类问题，我们对于功率和热流定义单位为Watt 和Watt/㎡。

点击Next。

6. 设置分析类型为Internal。

在物理特性下勾选Heat conduction in solids。

选择固体导热是因为几个电子元器件产生热量，我们关注这些热量是如何通过散热器和其他固体导热进行传递，直至最后进入到流体中去的。

点击Next。

7. 展开Gases 夹并且双击Air 行。

保持默认的Flow Characteristics。

点击Next。

8. 点击Stainless Steel 作为Default solid。

在 Wizard 中你可以指定应用到 b 项目中所有固体元件的默认固体材料。

想对一个或多个不同的元器件指定不同的固体材料，你可以在项目创建完成之后对这些元器件定义Solid Material 条件。

点击Next。

9. 点击Next 接受默认的外壁面绝热和零粗糙度边界条件。

尽管设置初始温度对于一段时间后温度到达某一确定值的瞬态分析而言是相当重要的，同样对于设置一个与最终仿真结果值相近的初始值有助于加速迭代计算的收敛。

在这个例子中，由于设备处于室温下，所以我们设置初始的空气温度和不锈钢（描述了机壳）的温度为50°F。

10. 设置初始流体Temperature 和Initial solid temperature 为50°F。

点击Next。

11. 接受 Result resolution 的默认值并且保持自动设置Minimum gap size和 Minimum wall thickness。

b 通过使用整个模型尺寸、计算域和指定了边界条件和目标的面等信息来确定默认的最小间隙尺寸和最小壁面厚度。

在开始计算之前，我们推荐你检查一下最小间隙尺寸和最小壁面厚度，从而确保一些小的特征不会被忽略。

我们会在所有的边界条件和目标设定之后再来回顾一下这些方面。

点击Finish。

现在 b 利用赋值数据方式创建了一个新的例子。

我们使用 b分析树定义我们的分析，这种定义方式类似我们先前利用特性管理设计树定义我们的模型。

右击Computational Domain 图标并选择Hide从而隐藏求解域线框。

定义风扇风机就是一种流动的边界条件。

你可以在没有定义 Boundary Conditions 和Sources的固体表面处来定义 Fans。

你也可以在模型的入口或出口处人工的加一个盖子来定义风扇。

你可以在内部流动区域的面上定义内部风扇。

风机被认为是体积流量（或质量流量）随着选定的进出口面上压降不同而变化的理想装置。

风机的体积流量与静压降的特性曲线来自 Engineering Database。

如果你分析的模型中有风机，你必须知道这个风机的性能特性曲线。

在这个例子中我们采用Engineering Database 中一个预先定义的风机。

如果你不能在数据库中找到一个合适的风机特性曲线，你可以根据你风机的具体参数创建一个你自己的风机特性曲线。

1. 点击Flow Analysis，Insert，Fan。

Fan 对话框出现。

2. 如图所示选择Inlet Lid 的内表面。

(访问内表面，在图形区域右击Inlet Lid 并且选择Select Other，移动鼠标至列表中所要选择的内表面上，最后点击鼠标左键)。

3. 选择External Inlet Fan 作为风扇type。

4. 在Fan Curves，Pre-Defined，PAPST，DC-Axial，Series 400，405 下选择405 项。

5. 检查 Ambient Pressure 是大气压力。

6. 选择Inlet Flow Parameters组下的Swirl。

7. 定义Angular Velocity at Inlet为 100 rad/s 和接受Radial Velocity at Inlet 值为 0。

当定义旋转流之后，你必须选择参考Coordinate system 和 Reference axis 以便坐标系的原点是旋转的中心，角速度矢量的角度与参考轴对齐。

8.接受Face Coordinate System 作为参考Coordinate system。

当你选择这个面作为应用边界条件或风机的面，Face coordinate system 会自动的创建在这个平面的中心。

坐标系的 X 轴垂直于这个面。

Face coordinate system 只有在一个平面被选择的情况下才会被创建。

9. 接受 X 作为Reference axis。

10. 点击OK。

新的Fans 文件夹和External Inlet Fan 1 项出现在 b 分析树中。

现在你可以编辑 External Inlet Fan1 项或者使用b 分析树来增加一个新的风扇。

直到最后一个这类特性被删除之前，这个文件夹都会处于显示状态。

你也可以在分析树创建一个特性文件夹。

右击项目名并且选择Customize Tree 去增加或剔除一个文件夹。

随着刚才所做的定义，我们告诉 b 通过风扇在这个开口处空气流入机壳，所以空气的体积流，随着环境大气压和风机出口处的静压不同而变化。

由于盖子出口处是环境大气压，所以风机产生的静压等于气流通过电子设备时候的压降。

定义边界条件除了开口处定义了风机之外，任何流体流经系统处都要定义边界条件。

边界条件可以以Pressure， Mass Flow，Volume Flow 或Velocity 形式定义。

你也可以使用Boundary Condition 对话框来定义 Ideal Wall 边界条件，这个边界条件可以是绝热，无摩擦壁面。

或定义Real Wall 边界条件，这个边界条件可以设置壁面粗糙度或者温度以及模型表面的热交换系数。

对于具有内部固体导热的分析，你也可以通过定义一个Outer Wall 边界条件来对模型外壁面设置一个热特性边界条件。

1. 在 b 分析树，右击Boundary Conditions 图标并且选择Insert Boundary Condition。

2. 如图所示选择所有出口盖子的内表面。

3. 选择Pressure openings和Environment Pressure。

4. 点击OK。

新的Environment Pressure 1项出现在 b 分析树中。

环境压力边界条件在流动出口处作为静压，在流动入口处作为总压。

定义热源1. 点击Flow Analysis，Insert，Volume Source。

2. 在模型树中选择Main Chip 作为应用体积热源的元件。

点击特性管理设计模型树并且选择Main Chip。

3. 选择Heat Generation Rate 作为Parameter。

4. 在Heat generation rate框中输入 5 Ｗ。

5. 点击OK。

6. 在 b 分析树中点击两次新建的VS Heat Generation Rate 1项并且重新命名为Main Chip。

体积热源允许你定义热耗率（W）或者单位体积热耗率（ W/m3）或者对于体积设定一个常温的边界条件。

另外也可以对表面热源定义热交换率（W）或者热流（ W/m2）。

7. 在 b 分析树中右击Heat Sources 图标并且选择 Insert Volume Source 。

8. 在特性管理设计树中选择所有的Capacitor元件。