案例 | 某水冷板热流仿真计算步骤讲解

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了使用ANSYS Icepak19.0进行热仿真模型的修补、网格划分及检查、求解计算设置及后处理显示等操作。首先，打开ANSYS Icepak热模型，然后修改计算区域，创建Hollow block，设置block属性，最后设置水体模型的参数。接下来，进行网格参数设置及划分，包括设置多级网格级数，生成网格，网格检查和网格质量准则检查。最后，进行求解设置和后处理显示，包括基本参数设置，求解设置，并行计算设置，计算，以及Object face体处理，Plane cut切面处理和Summary report定量后处理。

在上一篇文章《某水冷板热流仿真-CAD模型修复导入教程》中对电力行业晶闸管某水冷板进行了热仿真的建模讲解。基于前面建立的热仿真模型，本文将详细地讲解热模型的修补、网格划分及检查、求解计算设置及后处理显示等等操作。

本文基于的版本为ANSYS Icepak19.0，这些步骤如下所示：

第一步、打开ANSYS Icepak热模型

单独启动ANSYS Icepak，点击Existing选项，从工作目录中找到CAD修复导出的水冷板热模型，点击相应的文件名，点击open，即可在打开模型。

图1 打开水冷板热模型

第二步、双击Cabinet，打开其编辑窗口。

如下图所示，修改yE的尺寸，将顶部Y面扩大10mm（用于避免进出口与Cabinet边界相贴所造成的劣质网格）

图2 修改计算区域

第三步、创建Hollow block：

建立Hollow block，可以将模型中不需要参与热流计算的空间消除

1、点击快捷工具栏中的block ，在视图中心会出现相应的block体。

图3 创建Hollow block

2、使用面匹配功能 ，将block的尺寸调整成与计算区域cabinet同样大小。

图4 对Hollow block进行尺寸匹配

3、设置block属性

双击上一步建立的block模型，出现其属性面板，在Info面板下修改其优先级为0，在Properties面板下选择Block type为Hollow，点击下方的Done。  

图5 修改Hollow block属性面板

第四步、 其他各模型的属性设置

1、水体模型的参数设置

选择模型树下的水体模型（3个模型），点击编辑按钮，打开多体编辑面板，其属性Properties面板下设置Block Type为Fluid，Fluid material中选择Water，点击下方的Done。

图6 流体Block属性面板设置

2、进出口参数设置

在水体进口的Properties面板下勾选X Velocity，并在其后方输入初速度为1m/s，保持默认的温度为ambient，即使用环境温度作为进口温度；点击下方的Done，确认完成。

图7 开口属性参数设置

在水体出口的Properties面板下取消勾选Temperature以及External radiation temp，点击下方的Done；点击右键选择出口模型，选择Create—Monitor point，创建变量监控点，双击Point下的出口模型，勾选速度及温度，表示监测出口的温度及速度。 

图8 变量监控点的设置

3、热源参数设置

选择2个热源模型，点击编辑按钮，在属性面板中对Total Power输入1000W，点击下方的Done。

图9 设置热源属性

第五步、网格参数设置及划分

1、给各个器件设置多级网格级数

右键单击模型树下器件名称，点击Set meshing levels，在出现的对话框中输入级数，点击Done表示完成。

图10 设置多级网格

使用同类操作对水冷板、水体主体、水体进出段、水体进出口、热源分别设置网格级数为3、3、2、2、2，其余模型采用默认值（0级）。

2、生成网格

点击快捷工具栏中的网格划分按钮 ，打开划分网格窗口，按照如图输入，图中没有显示的部分采取默认值，然后点击Generate生成网格。 

图11 划分网格面板

3、网格检查

选择模型树下的不同器件，单击网格划分面板的Display，选择Surface、Solid fill，可检查划分网格是否贴体。从图中可以看到划分的网格完全贴体几何模型，整体模型的网格质量较好；点击Cut plane，可以检查不同切面的网格分布。

图12 网格的贴体检查

通过切面网格可以发现，模型中所有间隙（包含翅片之间）的网格个数都大于3个，满足ANSYS Icepak对流体区域网格的要求。

4、网格质量准则检查

单击网格划分面板的Quantity，依次单击Face alignment，Volume，Skewness，在窗口中将出现相应准则的数值。可以看出，划分的网格均满足相应的质量标准。

图13 网格质量的检查

第六步、求解设置

1、基本参数设置

点击左上角区域Basic parameter，忽略辐射换热，选择流态为Turbulent湍流，其余采取默认值，点击Accept确认。

图14 基本参数输入（一）

2、求解设置

点击Basic settings，设置迭代步数300，其余采取默认值，点击Accept确认。

图15 基本参数输入（二）

3、并行计算设置

点击Parallel settings，点击Parallel，输入并行计算的核数（本案例为4），其余采取默认值，点击Accept确认。

图16 基本参数输入（三）

4、计算

点击计算功能按钮 ，保持默认参数，进行计算。视图区域会出现残差曲线以及监控点温度、速度变化曲线，待计算结果达到残差标准后计算收敛、停止；可以看出，随着残差曲线达到收敛标准，监控点的温度、速度将平稳不变。

图17 残差曲线及温度速度监控点曲线

第七步、后处理显示

1、Object face体处理

单击快捷工具栏的 命令，打开Object face面板，在下拉菜单选择后处理的模型对象，选择下方的Show contours，可以显示所选对象温度云图；选择Show particle traces可以显示失重粒子迹线分布图。单击快捷工具栏的探针 ，可以在温度云图中显示不同区域的具体温度数值。

图18 体后处理显示设置

图19 后处理结果显示

2、Plane cut切面处理

单击Plane cut ，打开切面的后处理面板，勾选Show contours，可以进行切面温度（也可以选择其他变量）云图显示；选择Show vectors，可显示切面的速度矢量图。

图20 切面后处理的设置

切面的温度云图以及速度矢量图如图所示：

图21 切面温度云图及速度矢量图显示

3、Summary report定量后处理    

打开Summary report，点击New，在Object下选择inlet，在Value下选择Mass flow；同理，建立出口outlet的定量统计选项；点击Write，可以输出进出口的质量流量；将Summary report中的Value改为Temperature，可以统计进出口的温度。

图22 定量统计表   

根据公式 :

在热仿真模型中，热源总热耗2000w；那么相对误差（2012-2000）/2000=0.6%，根据进出口的质量统计及误差分析，可以看出，本案例计算质量守恒、能量守恒，热流计算完全收敛。

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