三周期极小曲面结构Gyroid翅片对流换热性能模拟
三周期极小曲面结构Gyroid翅片对流换热性能模拟
极小曲面结构根据采用的方程不同，其曲面形状各异，换热能力也有所不同。本文针对常见的Gyroid结构，分析其流动换热特性。
零、问题描述
本文主要是对文献Analysis on the convective heat transfer process and performance evaluation of Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) based on Diamond, Gyroid and Iwp中的问题进行复现，梳理形成一套针对三周期极小曲面结构（Triply Periodic Minimal Surface，TPMS）的物理模型构建、网格划分以及数值求解分析的方法。
论文doi：https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123642
论文中的问题为：gyroid结构的翅片底部为恒温热源，使用空气流经该翅片散热，评估其换热性能。如下图1所示。
图1 物理模型及问题描述
一、模型构建
本文中的TPMS有多中建模方法，本文使用Ntopology构建gyroid结构，之后导入SolidWorks添加底部平板壁面，然后使用spaceclaim抽取流体域，最终形成图1的物理模型。为了避免额外壁面，在spaceclaim中对进出口及壁面进行命名。
本文计算域包括固体翅片及流体域两部分，如图2所示。
由于没有外围流道的实体结构，只有翅片结构，因此抽取流体时使用准备-外壳功能首先生成包覆的外壳结构，再使用设计-分割主体切除多余的区域，最终形成流体域。
切出流体域后，对进出口和壁面进行命名，完毕后保存，得到.scdoc文件。这就是模型文件。
图2
二、网格划分
本文使用fluent meshing划分三维网格。
1、首先打开fluent meshing，选择watertight geometry。
2、点击import geometry，选择刚才保存的scdoc文件。
3、更改面网格控制参数，最小最大尺寸根据模型和问题进行确定，增长率一般默认。
4、选择有固体域和流体域，点击describe geometry
5、点击apply share topology，如果选择interface connect，画网格时所有的面全部独立存在，否则除了之前命名的面，其余剩下的面将合并为一个面。
6、设置边界条件
7、设置边界层，论文中有推荐，也可根据电脑条件设置，有时会报错，可调整网格高度
8、生成网格。之后保存问msh文件即可。
三、求解计算
本文使用fluent求解。
1、导入网格，并检查尺寸单位是否正确。
2、开启能量方程和湍流模型
3、更改物性参数，包括空气和铝合金参数，详细物性论文中有提供。
4、设置边界条件，速度入口由体积流量计算得到速度，温度设为20℃。出口温outflow。加热面为恒壁温，100℃。其余壁面设为绝热壁面。
5、选择求解算法，coupled对流股耦合问题收敛性好，残差设为10^-6。
6、初始化并开始计算
7、结果处理及与文献的对比。
更改入口流速，得到最终结果，如下图，与文献实验对比，误差在10%以内。
