算例在线帮 | 某型无厚度翅片水冷板散热的Fluent仿真分析

本文摘要（由AI生成）：

文章主要介绍了水冷板散热器在工业品散热冷却中的应用，以及针对水冷板散热问题的几何处理方法。文章详细描述了几何处理的工作流程，包括抽取中面、面删除、面融合、复 制等效区域、周期操作和共享拓扑等步骤。最后，文章还提到了输出几何和网格划分的方法，并给出了相关说明。

随着科技的发展，各种类型的工业品呈现出集成化、智能化、微型化的趋势，部件的热流密度也随之大幅增加，普通的风冷散热在很多场景都已经无法满足需求。液体冷却的常用冷却工质为水，或者配比不同体积分数的乙二醇混合，以增强稳定性。

因此，为了适应大幅度散热的需求，水冷板散热器被广泛的应用于各类工业品的散热冷却，比如电动汽车电池包、光伏逆变器、电动汽车控制器、医疗器械、IT服务器、变流器、军用各类电子控制机箱等。相对于传统的强迫风冷散热，水冷散热能有效提高系统的散热效果，增大散热功率，且较容易实现高防护等级。

本算例基于某型水冷板进行Fluent仿真分析，着重介绍工作流程；该产品主要个性化特点是冷板的外部，焊接了大量的波浪形散热翅片，用来提升散热效果。

一、几何处理

对于大多数的水冷板散热问题，工作思路较为明确，仿真中的物理条件设定也相对简单；该类问题的主要难点在于几何处理，常见的问题有以下几个方面：

① 部分散热翅片厚度较小，如划分三维几何则工作量巨大，需做无厚度处理；

② 部分散热区域连接处有曲线相切的情况，如不处理则网格质量极差；

③ 部分几何在格式转换中存在问题，需要手动修复；

④  ……

本算例由仿真秀-Fluent交流群某网友提供，它基于某型水冷板进行仿真分析，主要介绍仿真思路及方法，因此对于几何的规模进行了一定程度的缩减。

图1 原始水冷板几何模型

图2 原始水冷板几何模型（近视角）

图3 原始水冷板几何模型（剖面模式）

通过剖面图可以发现，改型水冷板的翅片及箱壁厚度很小（0.1mm）如按照固体区域进行三维网格划分，则网格数量将不可控制，不符合工程项目效率优先的思想，为此必须要进行薄壳化处理。

同时，该模型周期性较强，但几何规模较大。因此，本算例适当的减小了几何的规模，但仍旧可以较好的说明该问题的仿真工作思路，同时可以增加学习效率。

图4 规模减小后的水冷板几何模型

1、几何修复及检查：该几何仅包含实体，且并没有干涉和间隙，因此不需要做任何的几何修复工作。

2、内流场获取：通过SCDM中“体积抽取”功能，可以快速获取流体区域（只包含水）。

图5 内流场获取

图6 水冷板内流场区域和散热翅片

获取内流场后，使用“拉动、移动、直到”等功能对内流场的尺寸进行调整，去掉所有的狭缝区域，目的是减小网格的数量。

原固体箱体区域则不予保留，简化为水部分流体几何的外边界（无厚度），该边界两侧均为流体区域，内部是水，外部是空气。

3、翅片区域处理

翅片区域有两个问题：一是厚度较小、二是与箱壁相切。

图7 水冷板内流场区域和散热翅片（间隙较小或相切）

图8 测量翅片的厚度为0.1mm 

图9 取中面操作

翅片厚度较小，通过SCDM中“抽取中面”功能，可以将其简化为无厚度面，有效减小网格数量，提高工作效率。

图10 取中面操作后的翅片

翅片周期性明显，而且有相切的区域需要处理，因此先取一个周期进行修改，然后再阵列，可以提高工作效率。

图12 采用面分离的方法，保留翅片的一个周期

通常CFD仿真中处理相切的方法就是增加一个台阶，对于本案例，同样采用该种方式，首先把相切附近的面删除掉，然后再把两侧融合起来，总的来讲是按照以下“——————”四个步骤进行的。

第一步：面分割

第二步：面投影

第三步：面删除

第四步：面融合

图13 相切区域的简化方法，面切割图

图14 相切区域的简化方法，面投影

图15 相切区域的简化方法，面删除

图16 相切区域的简化方法，融合

图17 复 制 等效区域的面（翅片+箱壁）

融合之后，翅片还剩下与箱壁重合的区域，必须要一并划分出来，因为稍后还要做周期阵列，当然本问题比较特别，翅片真巧完全切割了箱壁，因此即使不复 制上下两个平面原则上也可以完成相切的处理。但从更为完善严谨的角度来讲，还是建议复 制这两个面进行下一步的操作。

翅片的周期操作，先把多个面拼接为一个面，再进行周期，出于仿真的授课目的，仍旧是采用了缩减规模的周期，原14个周期的翅片缩减为6个。

周期使用的是SCDM中“绘制”功能。

图18 在结构树中把多个面移动到一个零件下面（否则无法拼接） 

图19 无厚度的翅片拼接

图20 减小几何规模的无厚度翅片周期操作

图21 减小几何规模的无厚度翅片周期操作

4、外流场获取

对于外流场的获取，采用SCDM中“外壳”功能即可。需要注意的是，对于内部区域也就是水的入口和出口，则不能包含在外流场内部，需要适当的延伸。因为水的进出口是外部边界。

图22 外流场获取

图23 外流场边界调整

5、共享拓扑经过处理的SCDM文件结构树相对较乱，有实体、有面，有外壳，有阵列……建议用鼠标框选所有的实体和面进行复 制，然后粘贴到新的文件页面中，可以有效去除掉不同层级不同类型的实体架构，更符合仿真分析（无层级之分）的几何需求。

图24 复 制所有的实体和面

图25 粘贴到新的几何文件中

处理到新的文件中，需要进行共享拓扑的操作，建议使用19.0以上的版本进行操作，因为高版本的SCDM对于共享拓扑的稳定性较好。在Workbench标签中，选择共享，随后点击对勾即可。

图26 共享拓扑

图27 储存为.SCDOC标准格式的几何文件输出

6、输出几何

必须输出为.scdoc格式的文件，否则共享拓扑的效果将无法传递到网格划分软件中。

二、网格划分

包含无厚度面的流体仿真问题，可以认为属于复杂的几何问题，建议使用Fluent Meshing进行网格划分。当然，由于Fluent Meshing软件门槛较高，本算例仍旧使用Workbench Meshing进行网格划分。

图28 打开Workbench 并拖入Meshing 模块，读入几何

1、读入网格

由于Workbench Meshing嵌入在Workbench内部，因此必须打开Workbench才能打开Workbench Meshing 。

2、边界命名

边界命名包含体命名与面命名，体命名较为容易，空气区域与水区域直接命名即可；面边界命名相对较为复杂，建议按照以下步骤：

第一步：命名出入口等外部边界；

第二步：命名翅片与箱壁重合部位thick baffle，方法如下图，可以一次性命名尺寸一致的所有面；

第三步：命名其他单独的翅片，方法与2类似；

第四步：其他内部边界不用命名，自动默认为是水与空气之间箱壁的区域。

图29 多重命名操作，可以一次性命名多个面积相等的面

图30 多重命名操作，可以一次性命名多个面积相等的面

3、网格生成

由于采用的是抽取中面的方式进行的几何处理，因此所有的面边界都是带厚度的，建议先全选，再将该类边界的厚度设置为0。

网格划分的设置，本例使用的是19.2版本，可能和其他版本有一定区别，详情请参照下图。

由于是示意算例，因此只有全局设置，不需要其他额外的任何设置。当然，如果从更为严谨的角度来看，还是建议添加边界层网格。

图31 网格全局设置方法

图32 生成后的网格信息

4、网格检查及输出

网格质量和数量如下图所示，输出方式采用export方法。  

图33 输出网格为.MSH格式

图34 修改曲面的厚度为0m 

图35 划分完毕的网格情况

三、求解设置

1、读入网格

由于是使用Workbench Meshing进行的网格划分，因此在单位上并不需要做任何的处理。网格的显示情况如下图所示，可以发现所有的无厚度面均可以单独显示。

需要注意的是，本例中的无厚度面默认是interior类型，需要更改为wall类型。 

图36 在Fluent 中无厚度面被默认为内部边界

2、求解设置

该问题的求解设置相对简单，按照以下步骤处理即可。

第一步：打开能量方程；

第二步：打开湍流方程；

第三步：设置两种流体材料；

第四步：设置空气的进出口；

第五步：设置水的进出口；

图37 水的入口边界条件设定 

第六步：设置无厚度壁面的厚度及材料；

图38 无厚度面的壳导热边界条件设定

第七步：其他求解设置保持默认即可，进行仿真计算。

3、后处理情况

如下图所示。

图39 仿真温度分布结果

四、相关说明

由于本例属于示意算例，因此简化程度较大，仅为介绍仿真思路。

1、由于该算例并未给定合理的固体材料属性以及完整的几何场景，因此该算例的结果不具有任何的参考意义。

2、在几何规模进行了大幅缩减后，网格数量仍旧达到了4.4M，初步估计完整几何（带边界层）的仿真计算，网格数量将在80-90M左右，是非常考验工程师水平的大规模仿真问题。

3、最后建议用户选择高性能计算机进行处理。

五、用户反馈

求助网友反馈：这次仿真是为了模拟汽车水箱的散热情况，以验证与自己最初的设计散热是否达标。

当前遇到困难：水箱的模型结构相对复杂，在操作的时候会出现由于模型的问题而使得划分网格的划分失败或者导入fluent失败，还有在这过程中要考虑的尽可能地简化模型简化物理建模，对于刚入门fluent的初学者来说这个难度不是一般地大，感谢仿真秀平台的导师的协助。

目前解决问题：通过导师的协助，解决了目前的前处理问题，特别是简化了复杂的翅片结构，按照原本的结构无法将模型导进fluent中，同时也将模型大大简化，节省大量资源，成功地导入fluent中进行分析。

尚未解决的问题：对于模型的理解可能还存在一定的偏差，导致最后的结果不是那么地接近现实，还需要后期不断地查找问题，不断试错。

作者：张老师，仿真秀专栏作者。

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