CFX—Ansys单向流固耦合分析 之 散热器热分析 步骤

CFX—Ansys单向流固耦合分析
——散热器热分析
1.计算模型
模型一般选用Iges格式，单位mm，去掉直径小于φ30的孔及半径小于R10等细小特征，将散热元器件接触面分割出来。

2.元器件发热量
IGBT损耗
IGBT器件损耗包括IGBT、FWD稳态损耗及开关损耗。

根据I C=f(V CE)查出V CE 及I C的两个值，分别输入表一中，即可求出IGBT的稳态损耗P IGBT-DC，根据表
二求出FWD的稳态损耗P FWD-DC 。

根据表三、表四求出IGBT的开关损耗，表五求出FWD的开关损耗。

根据已知的电阻、电流查出损耗值，然后根据实际电阻及已知电阻的比例关系求出实际
的损耗值。

整流桥损耗
根据公式求出I dc，然后查表得出整流桥损耗，其中I o为电流值，其他参数不变。

具体参见“IGBT、整流桥功耗计算(ECM※).xlsx” 及元器件手册。

热量输入采用热流密度，单位W/m2。

3.创建文件夹
a)建立一个总文件夹，如“radiator(ECM43)”
b)在radiator(ECM43)里建立IGS、hm、cfx及wb文件夹，IGS文件夹里放入模型数据，
hm里放入网格数据，cfx里放入流体分析文件，wb文件夹里放入热分析文件 4.网格划分
采用Hypermesh划分网格，必须使散热器网格与流体网格坐标一致。

4.1.启动“Hypermesh”
在桌面上双击图标
开始Æ所有程序ÆAltair Hyperworks 8.0 sr1Æhypermesh
4.2.导入模型
FileÆImportÆGeometryÆIGES
Geometry ColorÆBy Topo
Shaded Geometry and Surface Edges
4.3.程序参数设置
数据格式选择PreferencesÆUser Profiles…
选择PreferencesÆOptions，
4.4.体网格划分
3DÆtetrameshÆvolume tetra
Enclosed volume:，
Hint：Shift+左键拖动选择散热器全部表面
点击开始网格划分，看到提示信息表示网格划分结束。

4.5.网格质量检查
快捷键F10，3‐dÆtet collapse
如果collapse值为0.00，建议减小单元尺寸重新划分网格。

4.6.生成面单元
ToolÆFacesÆÆÆ
4.7.建立IGBT、整流桥单元集
在左侧列表中建立IGBT及整流桥的Component。

快捷键Shift+F11
ÆÆÆÆÆ
选择IGBT对应的表面，点击完成操作，然后将整流桥对应的网格移入“bri”里。

删除临时网格“~faces”
此时，散热器网格已经划分完毕，下面进行流体网格的划分。

4.8.建立流体通道壁面模型
只显示散热器曲面
复制通道模型至新建组“cfd‐sur”
快捷键Shift+F11
闭合曲面
GeomÆSurfacesÆSpline/filler
4.9.面网格划分
快捷键F12
选择流体入口及出口表面划分网格，单元尺寸为0.001m，单元类型为“混合型”
或选择“正方形”，并且选择“一阶”。

对剩余表面划分网格，并改变单元尺寸，这样可以大减少单元的数量，且不会影响分析结果。

但是要注意单元的“边长比”不能超5。

新建两个组“fixed”及“float”
固定边界可以用来表示流体壁面，可移动边界表示流体的入口及出口。

将入口及出口网格移入“float”，其他网格移入“fixed”
快捷键Shift+F11
4.10.流体网格划分
3DÆtetrameshÆCFD mesh
固定边界层选择组“fixed”，移动边界层选择组“float”。

边界层数量为1
边界层厚度略小于单元尽寸
单元生长率1.01～1.2
过渡层选择“all prism”
4.11.网格质量检查
如果太多网格质量太差可能导致分析失败！
4.12.生成面网格
参见4.6。

4.13.建立新组“inlet”、“outlet”、“wall”并改变颜色
4.14.将对应入口、出口以及壁面网格分别移入“inlet”、“outlet”及“wall”里
在Hypermesh里新建这三个分组很有必要，否则在CFX中需要重新生成这些分组，Hypermesh在网格处理方面的优势可以大大提高工作效率。

4.1
5.删除临时网格“~faces”
此时我们完成了网格的划分工作！
4.16.网格导出
选择流体网格对应的组
FilesÆexportÆdisplayedÆwrite as，建议命名为fin**.bdf。

后缀为“.bdf”，如果没有得手动添加。

注意导出的网格不要包括实体或曲面，否则计算软件不能识别会出现错误。

选择散热器网格对应的组
导出的散热器网格必须包括IGBT及整流桥的网格组，否则很难在workbench 中将生成该组，无法加载边界条件。

FilesÆexportÆdisplayedÆwrite as，建议命名为radiator**.bdf。

5.有限元分析
流体分析采用CFX软件，散热器热分析采用ansys求解器，耦合分析采用Workbench 集成环境。

5.1.流体分析
导入流体网格，选择fin**.bdf
更改面网格名称
定义流体域，名称采用fin**
设置边界条件
“inlet”
“outlet”
“wall”
初始条件
初始条件基本使用默认即可，不需要设置，只在选择“Turbulence Eddy Dissipation”即可。

求解控制
最大迭代次数改为1000，保证计算收敛。

求解
不需要做任何设置，点击“Start Run”即可启动CFX求解器。

程序自动运行并显示求解过程，即收敛过程。

计算收敛或者达到最大迭代次数，计算终止，此时可以进入CFX后处理器查看结果。

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求解完成后生成结果文件“fin**_001.res ”。

5.2. 热分析
采用Ansys Workbench 进行热分析，期间将CFX 求解的流体结果加载到散热器模型上。

5.2.1. 启动workbench
5.2.2. 点击“Finite Element Model ”启动有限元模块，然后选择Hypermesh 导出的网格模
型radiator**.bdf 。

选择默认的单位系统，如图所示：
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生成实体模型
Hint ：workbench 中必须有实体模型才可以定义模型属性。

5.2.3. 分析模块
定义材料属性
先选择实体
材料选择铝合金。

5.2.4. 定义边界条件
定义热流密度
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分别选择IGBT 及整流桥表面作为热载荷加载区域，并输入之前求得的热流密度值。

定义对流换热系数
从CFX 分析结果中导入对流换热系数值。

按住鼠标左键，从右向左滑动选择全部翅片
导入CFX 结果
定义热辐射
黑度定义为0.41，环境温度为40度。

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Hint ：黑度为铝质表面向外部散热量与黑体表面向外部散热量的比值。

几何体选择除IGBT 及整流桥外的全部表面。

5.2.5. 求解
如果网格超过20万个，求解时间较长，一般推荐在10万以内。

6. 生成报告
在左侧树状列表中删除多余项目，然后选择页面
打开报告。