ANSYS Icepak瞬态模拟计算案例 step by step

1月前浏览17704

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了ANSYS Icepak的瞬态热模拟计算功能，通过一个散热器案例，讲解了如何进行瞬态设置、指定随时间变化的参数、通过组(Group)拷贝模型、检查瞬态热模拟的计算结果以及动画展示。需要注意的是，由于网格划分方法和Fluent求解器版本的不同，网格数以及计算结果可能略有不同。

一、写在前面

本教程的目的是演示ANSYS Icepak的瞬态热模拟计算功能。在这个案例中，读者可以掌握：

对热模拟定义瞬态设置；
对几何指定随时间变化的参数；
通过组（Group）拷贝模型；
检查瞬态热模拟的计算结果，包括计算结果的动画展示；

注意：由于网格划分方法和Fluent求解器版本的不同，网格数以及计算结果可能略有不同。

二、案例描述

本案例模型包括：一个散热器、4个面热源位于散热器基板底部，每个热源热耗随时间进行变化，峰值热耗100w。整体模型放置于在自然冷却的环境下进行散热。(假定读者熟悉ANSYS Icepak的基本操作，不熟悉读者可点击我的课程学习Icepak系列课）。

三、热模拟过程

1、启动ANSYS Icepak，建立新的项目，并对其命名为Transient；Icepak的项目不允许有中文、星号*、逗号，等等字符，输入字母或者数字即可。

2、打开Problem setup—Basic parameters，进入Transient setup面板，选择Transient，进行瞬态设置，在 Start和End中分别输入0和20，表示计算的总时长为20s。

3、点击Edit parameters ，选择Time step时间步长，将其设置为1s，并且在Solution save interval中也设置为1（Time step与Solution save interval数值的乘积表示瞬态计算结果保存的频率，即多少S保存一次结果），点击 Transient parameters面板的Accept，保存瞬态时间的设置。

注意：每个工况的时间步长是不一致的，如果时间步长过大，则瞬态时间的精度不够，可能导致瞬态计算结果不稳定，求解发散；但是如果时间步长过小，则造成计算耦合的时间非常长。

4、构建热模型

①　Cabinet：双击打开cabinet面板，点击属性，修改Min y、Max y为Opening，点击Done。

②　点击plate，按照下表修改其Geometry和properties面板，命名为Plate.1，其面为X-Y，其尺寸如下表：在其属性面板中，选择Conducting thick，对其Thickness输入10mm，保持Solid material为默认的材料（Al-Extruded）。

③　点击Block，建立块：按照下表分别修改其Geometry和properties面板，XC\YC\ZC表示圆柱体中心点坐标，按照下表，此Block为一个锥形的块；

在模型树下选择block.1，点击拷贝命令，在拷贝面板中，对Number of copies中输入2，在X方向中输入偏移量0.05m，可以沿着X方向拷贝2个散热器锥形翅片；再次选择3个锥形翅片，点击拷贝按钮，对Number of copies中输入2，在Y方向中输入偏移量0.05m，完成翅片模型的拷贝；也可以在模型树下选择模型，点击右键，选择拷贝Copy选项，打开拷贝面板；或者在模型树下选择模型，点击Ctrl+c（c务必是小写），打开拷贝面板。

④　点击Source，建立面热源：根据下表建立第1个面热源模型。

热源的峰值热耗100w，热耗变化的公式为

其中a、b为常数，t为时间；在热源的属性面板中，勾选Transient，点击Edit，在Start time中输入0，在End time中输入20；要指定变化的曲线，点击选择Exponential，设置a=0.025，b=100，点击Update、Done。

在模型树下选择source.1，点击拷贝命令，在X方向输入0.1m，拷贝一个Source模型；然后选择2个Source模型，再次点击拷贝命令，在Y方向输入0.1m，点击拷贝命令的Apply，完成热源的拷贝。

⑤　如果需要查看Source的热耗曲线分布，点击Problem setup—Basic parameters，选择 Transient setup，点击View，可以显示出热源热耗随时间的变化曲线。

提示：随时间变化的分段线性热耗曲线也可以直接通过Save All或者Load All进行加载。最终模型如下图所示：

5、生成网格

点击网格划分按钮：

1）在Max element size下对X\Y\Z三个方向分别输入0.02m，在Mesh parameters中选择Normal，保持其他默认的设置；

2）点击Options面板，选择 Init element height，输入0.005；点击Generate，可以生成网格。可以通过Display mesh来检查网格是否贴体，检查切面网格的剖分结果。

注意：Init element height初始网格高度，是从固体表面开始第1层流体网格的高度；这个可以被用于相对简单的模型中，作为流体边界层；但是对于复杂模型来说，如果设置Init element height，那么将生成大量的网格。

6、数值求解设置

打开Problem setup—Basic parameters，在General setup中，Flow regime选择层流Laminar，在Gravity vector (X = 0, Y = -9.80665 m/s2, Z = 0)，在Transient setup瞬态设置面板中，给Y方向的初始速度 initial velocity为0.001m/s，以加快耦合计算的速度，点击Accept。

打开Solution settings—Basic settings，点击Reset，评估瑞利数Rayleigh；保持Iterations / timestep为20，即每个时间步长的计算步数为20步，点击Accept；注意：每个时间步长的迭代步数应该保证求解计算达到残差标准。

打开Solution settings—Advanced settings面板，设置压力松弛因子为0.7，动量松弛因子为0.3；在Precision中选择双精度Double，点击Accept接受。

直接拖拽Source.1至Points模型树下，ANSYS icepak将在计算过程总，会自动检测Source.1温度随求解迭代步数（或者时间）的变化曲线。

7、点击File—Save project，保存模型。点击 Solve—Run solution，打开求解计算面板，勾选Write overview of results when finished，点击Start solution开启热流计算。

瞬态计算的残差曲线如下图所示，不同的机器可能显示的残差曲线及迭代步数有所不同。残差曲线每次下降耦合都表示每个时间步长计算完全收敛。

8、后处理操作，对应的后处理显示包括：

①　点击Solve—Define report，在Define summary report面板中，选择Specified，在Report time中勾选All time，点击New按钮，使用Shift，选择模型树下所有的Block模型，点击Accept；在Define summary report面板中，点击Write，Icepak将显示Report summary data面板。

注意：Block初始的温度为20℃，在第20s时，温度已经升至27℃。

② 可以通过切面或者Object face进行体后处理显示。点击 Post—Transient settings瞬态设置或者直接点击快捷工具栏的瞬态设置按钮，打开Post-processing time面板，在Time step中输入查看的时间步长数值，点击Update，更新后处理的瞬态显示；点击Forward或者Backward可以向前或后退显示对应的时间步长计算结果。

如果选择Time value，并输入需要显示查看的时间，并输入Increment时间增量，点击Forward或者Backward可以向前或后退显示对应的时间步长计算结果。

③ 点击Object face，在Object中选择所有的模型，勾选Show contours / Parameters，保持Contours of为Temperature，Shading options选择Smooth，Color levels: Calculated选择This object；点击Post Transient settings，在Time step中输入1或者Time value中输入0，点击Forward或者Backward，可以清楚地看到热源通过传导将热量传至翅片、散热器的过程；

④ 点击Plane cut，选择Set position为Z plane through center，勾选Show vectors—parameters，在参数面板中Color by选择 Velocity magnitude ;点击Post Transient settings，在Time step中输入1或者Time value中输入0，点击Forward或者Backward，可以查看切面气流随时间的变化过程。

上述第3、4步的后处理显示如下所示：

上图显示了不同时刻热流计算的结果，注意Icepak将使用初始的流场及温度场作为0s时刻的结果；随着时间的推移，可以看出，热源的热耗通过散热器进行扩散；随着时间的流逝，切面的流速也有所增加，这主要是因为自然对流引起的。

⑤ 点击Post—Transient settings，打开 Post-processing time面板，点击Animate，打开Transient animation瞬态动画窗口，点击Animate，可以将瞬态计算的结果动画显示；动画可以播放一次或者点击Loop mmode进行循环播放；点击Write to file，然后点击write，打开Save animation 保存动画面板，选择动画保存的格式，点击Save，可以将瞬态的计算结果输出为动画。