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1、利用FLUENT软件模拟流固耦合散热实例,摘 要,Gambit创建模型 FLUENT计算及后处理,Gambit创建模型,创建几何模型 划分网格 指定边界条件,Circuit board (externally cooled) k = 0.1 W/mK h = 1.5 W/m2K T = 298 K,Air Outlet,Air inlet V = 0.5 m/s T = 298 K,Electronic Chip (one half is modeled) k = 1.0 W/mK Q = 2 Watts,Top wall (externally cooled) h = 1.5 W/m2K T
2、 = 298 K,Symmetry Planes,问题描述,Chip Board Fluid,创建计算区域,1.,2.,创建一个plane来分割volume 1,创建board区域,移动plane到适当位置，对volume 1进行split,将创建的plane沿Y向上平移0.1,3.,4.,用平移后的plane对volume 1进行split,5.,创建chip体,6.移动chip体到具体位置,7.用体相分割，得到流体区域Volume 2,Volume 2,Volume 3,Volume 2 split with volume 3,划分网格,1.将chip边划分为15*7*4,4,7,15,2
3、.划分其他边的网格,Board沿Y向边： 4 Board沿Z向边： 8 Fluid 沿Y向边： 16 沿X方向长边： 100,划分数：,4,4,4,100,100,16,16,16,16,8,8,3.划分体的网格,选择所有体,指定边界条件,1。隐去网格，便于操作,2。指定速度入口,Inlet Velocity_inlet,3。指定压力出口,Outlet Pressure_outlet,4。指定board-side为wall 类型,Board-side wall,5。指定board上的对称面,Board symm,Sym-1,边界类型条件都为 symmetry,6。指定board上的上下面边界条
4、件类型 wall,Board top,Board bottom,7。指定chip上的边界条件类型,Chip边界类型：,与board接触的面BCDE : chip-bottom -wall 与流体接触的4个面 : chip-side -wall （ABCH,CDGH,DEFG,AHGF) 面ABEF : chip-symm -symmetry,8。指定fluid区域上的边界条件类型,A,D,C,B,Fluid区域的顶面ABCD,wall,9。指定区域类型,指定流体区域 指定固体区域,1,2,3,绿色 : fluid 红色（chip） : solid 紫色（board）: solid,10。输出网
5、格,1,2,在File Name中自定义名称 然后 Accept,网格成功输出,FLUENT计算及后处理,读入mesh文件 选择物理模型 定义材料属性 指定边界条件 初始化 设置求解器控制 设置收敛监视器 计算 后处理,1 . FLUENT读入网格,File-Read-Case,选择刚从Gambit中输出的网格文件(.msh文件),Grid-Check,检查网格质量，确定最小体积大于0,此数值大于0,启动3D-FLUENT,2 . 确认计算域大小,Grid-Scale,在Gambit中是以m为单位建模,在Scale Grid菜单中，选择Grid was created in inch, 点击
6、change length units, 然后再点击 Scale, 得到正确 大小的计算区域。,3 . 选择求解器，物理模型,DefineModel-Solver,保持缺省值。,DefineModel-Energy,打开能量方程，设计到温度计算。,DefineModel-Viscous,4 . 定义材料属性,DefineMaterials,流体材料中包含air，不另需定义,定义固体材料：chip,board,在Materials面板中Material Type 下拉菜单中选择 solid，在Name中输入board, 删除Chemical Formula中的内容， 将Thermal Condu
7、ctivity 设置为0.1；点击Change/Create按扭，在弹出的菜单中选择 No.同样创建材料 chip,5 . 定义边界条件,DefineBoundary Conditions,指定流体区域材料类型,在Boundary Conditions面板中,Zone下面选择fluid,然后在Type一侧选择fluid，点击Set按扭, 在弹出的Fluid面板中选择Material Name 为air（实际默认正确）。,指定固体区域材料类型,在Boundary Conditions面板中,Zone下面选择board,然后在Type一侧选择solid，点击Set按扭, 在弹出的Solid面板中选
8、择Material Name 为board（实际默认正确）。同样指定chip材料类型,指定chip的热生成,在Solid面板中,勾选Source Terms，然后选择Source Terms菜单，点击Edit，进入Energy面板，将数值设为1， 菜单将扩展开来，从下拉选项中选择constant, 然后将前面数值设定为904000，然后确认OK。,指定速度入口条件,在Boundary Conditions面板中,Zone下面选择inlet,确认Type下为velocity-inlet,点击Set进入到Velocity-inlet面板中，在velocity specification metho
9、d右边选择Magnitude and Direction, 菜单展宽。 在Velocity Magnitude后面输入1, 在x-Componen of Flow Direction后面输入1，其他方向保持为0。表示air流体沿x方向以1m/s的大小流动。 选择Thermal 菜单将Temperature设定为298K。,指定压力出口条件,指定symmetry条件,在Boundary Conditions面板中,Zone下面选择board-symm,确认Type下为symmetry; 同样对chip-symm, fluid-symm, sym-1, sym-2进行确认，不需要另外设置。,指定模
10、型跟外部氛围的换热条件,在Boundary Conditions面板中,Zone下面选择 top-wall,确认Type下为wall;点击Set进入wall面板，选择Thermal 菜单，在Thermal Conditions下选择Convection，设置Heat Transfer Coefficient 为1.5，Free Stream Temperature为298。,top-wall：模型Y向最顶部跟周围氛围的换热条件，其材料默认为铝。,board-bottom：模型Y向最小面跟周围氛围的换热条件,在Boundary Conditions面板中,Zone下面选择 board-botto
11、m,确认Type下为wall;点击Set进入wall面板，选择Thermal 菜单，在Thermal Conditions下选择Convection，设置Heat Transfer Coefficient 为1.5，Free Stream Temperature为298。 将Material Name下的选项选择为board.,指定与chip相关的边界条件,在Boundary Conditions面板中,Zone下面选择 chip-bottom,确认Type下为wall;点击Set进入wall面板，选择Thermal 菜单，在Thermal Conditions下选择默认为Coupled,将M
12、aterial Name下的选项选择为chip.,1,chip-bottom,2,chip-side,指定与board相关的边界条件,board-side,board-top,5 . 求解设置,Solve-Control-Solution,保持默认设置,Solve-Initialize-Initialize,1,4,3,2,从Compute From下拉项中选择inlet,然后依次点击init，进行初始化, Apply, Close,进行初始化,Solve-Monitors-Residual,设置收敛标准,勾选Plot 在计算迭代过程中，能直接对收敛过程 进行监测。 默认的标准能满足当前问题的
13、精度,6 . 求解迭代,Solve-Iterate,在Iterate面板中设置Number of iterate 300 次， 然后点击Iterate, 进行计算。,监测残差曲线,Residual 各监测曲线都达 到设定的收敛标准。 Fluent窗口中 显示达到收敛,后处理,1.显示chip附近的温度分布,2.显示z=0平面的温度分布,3.创建速度矢量图,创建y=0.25inch的平面,Surface-Iso-Surface,1,2,3,4,5,1.在Surface of constant下面选择Grid; 2.选择Y-Coordinate; 3.点击Compute,将会显示Y值的最小、最大值
14、； 4.在Iso-Value下输入 0.25;并命名为y=0.25; 5.点击Create创建平面,Display-Vectors.,Select y=0.25 从 the Surfaces list； Enter 3.8 for the Scale； Enable Draw Grid in the Options group box，将 弹出Grid Display菜单，选择Face从Options中， 随后从Surfaces下面选择board-top,chip-side,接着点击 Colors按扭，进入Grid Colors菜单，按图进行设定。,点击Vector面板下的Apply,Display- Views.,Display- Options.,从Mirror Planes选择chip-symm,勾选Light On,最后效果图,附：考虑chip与board之间的接触热阻对散热的影响,1.另外定义一种新材料,2. 定义chip-bottom边界条件,在Material Name下选择材料thermal-resistant； 定义Wall Thickness 为0.02inch;,继续进行迭代计算,3.结果比较,无热阻 最高温度406K,有热阻 最高温度414K,热量容易传导下去,热量传导困难,
