案例-基于Fluent电磁流场散热特性仿真

电磁炉内部发热元件的散热会严重影响电磁炉的性能、运行安全以及可靠性，因此需要设计合理的散热结构实现对发热元件的降温。通过运用Fluent计算流体动力学仿真，提出一种基于风能聚集与分层送风的电磁炉散热结构设计思想，通过实验对仿真模型的准确性进行验证。

1 引言

电磁炉是一种基于涡流加热原理的灶具。电磁炉通过其内部的交频元器件和励磁线圈产生交变磁场，交变磁场被铁质锅具切割而产生涡流，锅具中的铁分子在涡流作用下作高速无规则运动，由于焦耳热效应而产生大量的热量，使锅体快速加热。

电磁炉设备中，主要通过IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极晶体管）、整流桥以及励磁线圈等开关元件产生高频电流和磁场，是电磁炉的核心器件之一。然而，高频通断使得IGBT和整流桥发热严重，对电磁炉运行安全以及可靠性构成威胁，且会显著影响电磁炉的运行效率，因此需要重点控温。

工程上，一般选用强制风冷循环为IGBT、整流桥以及励磁线圈等主要发热元件进行降温。

2 电磁炉散热仿真模型建立

2.1 物理模型

仿真以某型号电磁炉为样机，样机尺寸为长度345 mm，宽度280 mm，高度52 mm。散热片用于为电路板上的两个大功率发热元件降温，分别为IGBT和整流桥。散热片材质为铝，长度为74 mm，总翅片数为11片，翅片间距为4.3 mm，单片翅片厚度为1.2 mm，高度为10 mm。线圈盘置于电路板上方，即与散热片分层放置。对散热片、线圈盘的降温可采用强制对流风冷的方式，这是由于与液冷结构相比，强制对流风冷结构较为简单，成本较低，且可靠性高，易于维修。

为实现强制对流风冷，需在特定位置放置风机。与离心风机相比，轴流风机有着风量大、能耗低、风压小等特点，因此电磁炉通常采用轴流风机实现强制对流风冷。风机正下方设有进风格栅，当空气通过风机进入电磁炉内部后，会分别被聚风板和导风筋导向线圈盘和散热片，发生热交换后从出风口排出。

图1 电磁炉散热结构物理模型

2.2 网格划分

电磁炉内部计算域的网格如图2所示。网格采用非结构化四面体网格，对发热元件处的网格进行了加密处理，以提高热传递的计算精度。控制合适的网格尺寸，为计算热传导过程，需对IGBT、整流桥、线圈盘等发热元件设置固体计算域，因此空气与各发热元件的对流换热过程可采用流固耦合模型进行计算。

图2 电磁炉内部计算域网格

2.3 流体控制方程

仿真模型基于RANS（Reynolds-averaged Navier-Stokes）方程。

2.4 边界条件设置

电磁炉系统中共有四个热源，分别为微晶面板上表面、线圈盘、IGBT和整流桥。微晶面板上表面的热量主要来自锅体，可为微晶面板上表面设置与锅体相同的固定温度，因此当模拟烧水时，可设置微晶面板上表面为100℃。通过实验测得线圈盘、IGBT和整流桥的发热功率分别为100W、7.4W和3.3W左右，因此可为这三个发热元件设置相应的体热源。样机所用轴流风机的型号为SF12025SM，其转速为2500rpm，PQ性能曲线如图3所示。为节约计算成本，缩短计算时间，可采用风扇模型来模拟风机的运行。发热元件与散热片之间以及发热元件与空气之间的热传递过程采用耦合壁面模型进行计算，其他可忽略热传递过程的壁面，如聚风板、导风筋、外壳等，可设置为绝热壁。风机进风口和电磁炉出风口分别设置为压力进口和压力出口。采用定常求解器计算传热及流动过程，即忽略控制方程中的时间偏导项，这样计算出的温度场和流场均为不随时间变化的稳定状态。压力与速度的耦合采用压力耦合方程组半隐式算法（SIMPLE）来实现。

图3 SF12025SM型号风机性能曲线

3 计算结果及分析

3.1 模型准确性验证

为验证仿真模型的准确性，需在与仿真模型相同的工况下对样机进行测温实验，并将实验数据与仿真结果进行比较。测温实验的环境温度为27℃，实验内容为在全功率（2100W）状态下持续烧水30分钟，测量样机内部不同位置的温度，测温点包括：IGBT下表面取1个点、整流桥下表面取1个点、散热片上表面取2个点、微晶面板下表面取1个点、线圈盘内部取1个点、出风口取1个点、锅体下表面取1个点。各测温点的温度随时间的变化如图4所示。从图中可以看出，样机在全功率状态下工作8分钟左右可使水沸腾，之后锅体温度维持在100℃左右，且其他测温点温度均趋于稳定。将稳定后各点温度与仿真模型中相同位置的温度进行比较，并汇总于表1。

表1 测温实验与仿真模型的温度对比

图4 测温实验不同位置温度随时间变化曲线

从表1可以看出，仿真得出的IGBT、整流桥、微晶面板、线圈盘及出风口的温度与实验值很接近，误差在5%以内，说明仿真模型的设置接近于样机的实际运行情况，而散热片的温度与实验值相差较大，实验值远高于仿真值。存在偏差的原因可归于以下几点：

• 实验过程存在误差。

• 仿真模型中使用的边界条件及物性参数均为假设或经验值，因此存在计算误差。

• 仿真的三维模型对实际模型进行了简化，忽略了不必要的细节，包括电路板上的微小电器元件、加强筋、凸台、圆角等。

• 仿真为减小网格数和计算量，对风机进风口和电磁炉出风口做了简化处理，这会对风场造成一定影响，进而影响传热。

• 仿真忽略了PCB电路板和控制面板的发热。

  
  

3.2 散热结构仿真分析及优化

现将已经过验证的仿真模型应用到某新款电磁炉的研发设计阶段。线圈盘与散热片采用分层放置的方式，这种放置方式的特点为，可减小电磁炉占用体积，为PCB电路板预留更大的空间，并且可分别为线圈盘和散热片设计专用风道，合理分配进风量，有利于发热元件的散热。3.2.1 风道位置对散热效果的影响目前该新款电磁炉的散热结构有如图5所示的两种方案，方案二为在方案一的基础上，将导风筋、聚风板、轴流风机以及PCB电路板向左侧移动20.3mm。

图5 某新款电磁炉的风道设计方案

两个方案通过仿真模型计算出的内部流线图如图6所示，可以看出，导风筋和聚风板为散热片和线圈盘构成专用风道，即空气通过轴流风机进入电磁炉内部后，一部分空气被导风筋聚集到散热片周围，为散热片散热，一部分空气被聚风板聚集到线圈盘周围，为线圈盘散热。导风筋和聚风板的位置对于风道的散热效果有着很重要的作用。如图6(a)所示，在方案一中箭头所在的位置，空气没有被导风筋或聚风板聚集，直接由出风口排出电磁炉，因此流经此处的空气没有促进发热元件的散热，而从图5(a)中可以看出，箭头所在位置空间较大，沿程阻力较小，风量相对较大，造成了进风浪费。图6(b)的方案二箭头所在位置的风量明显减小，用于散热的风量明显增多，相同进风量的有效利用率有所提高。因此，合理利用电磁炉内部空间，适当增大风道两侧的沿程阻力，可将进风更多地聚集至风道，提升风道散热效果。

图6 方案一和方案二的流线图

若用电磁炉烧油、炒菜等，锅体的温度会急剧升高，可超过烧水时所能达到的100℃，因此为模拟较恶劣工况下发热元件的散热情况，设置与锅体温度相同的微晶面板上表面为200℃。两个方案计算出不同测温点的温度总结于表2，可以看出，方案二各点温度均低于方案一，尤其是IGBT、整流桥和散热片，温差可达14℃左右，说明在方案二中，由导风筋构成的散热片专用风道的散热效果较方案一有很大提升，进风有效利用率较高。

表2 方案一和方案二的仿真温度对比

3.2.2 风道高度对散热效果的影响

导风筋可将进风聚集至散热片，构成散热片专用风道，同时聚风板可将进风聚集到线圈盘上表面与微晶面板下表面之间的间隙处，构成线圈盘专用风道，当进风流经该风道时，不仅可为线圈盘散热，还可有效隔绝来自微晶面板的辐射传热。然而，线圈盘专用风道的高度会影响进风量，进而影响发热元件的散热效果，因此方案二和方案三采用了不同的风道高度，来探究其对散热效果的影响。

方案二和方案三的内部散热结构如图5(b)所示，导风筋、聚风板、轴流风机、PCB电路板以及线圈盘的位置相同，不同点是方案三将微晶面板向上偏移2mm，进而线圈盘专用风道的高度与方案二相比增加了2mm。两个方案通过仿真模型计算出的内部温度云图如图7所示。基于图7可看出，高温区域受进风影响向电磁炉的出风口方向移动。然而，方案三的高温区域堆积在边缘处，没有从出风口排出，说明将微晶面板向上偏移2mm后，线圈盘上方的空间增大，空气由出风口排出的路径也相应增长，不利于经热交换之后的热空气排出电磁炉，不利于线圈盘的散热。

图7 方案二和方案三的温度云图

两个方案计算出不同测温点的温度总结于表3。方案三各点温度均高于方案二，说明将线圈盘专用风道的高度增加后，线圈盘的散热效果有所减弱，进而影响到位于线圈盘下方的散热片的散热。

表3 方案二和方案三的仿真温度对比

4 总结

通过运用Fluent计算流体动力学仿真，对电磁炉内部散热结构的设计提供了思路，具体为：

（1）线圈盘与散热片可采用分层放置的方式，即线圈盘放置于散热片的上方，这样可利用导风筋和聚风板的结构，形成线圈盘和散热片专用风道，合理分配进风量，有利于发热元件的散热。

（2）合理利用电磁炉内部空间，适当减小风道两侧的空间以增大沿程阻力，可将进风更多地聚集至风道，提高进风有效利用率，进而提升风道散热效果。

（3）控制线圈盘上表面与微晶面板下表面之间间隙的宽度，以缩短热空气的排出路径，进而提升发热元件的散热效果。

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