应用FLUENT进行散热模拟

1 采用 Fluent 进行冰箱温度场 与速度场模拟 采用 Fluent 进行冰箱温度场 与速度场模拟 安世亞太（安世亞太（PERA China） 深圳分公司深圳分公司 86staff.sz 2 目 录 目标.3 1. 引言.3 2. CFD 仿真过程.4 2.1 控制方程.4 2.2 单位.4 2.3 材料物性参数.5 2.4 几何与网格创建.6 2.5 求解工况&计算域&边界条件.10 2.6 结果分析.10 2.7 结论.15 表格清单表格清单 表 1 单位系统（国际单位制）. 5 表 2 空气理想气体物性表. 5 表 3 冰箱塑料内胆物性表. 5 表 4 冰箱隔热层物性表. 6 表 5 冰箱外壁物性表. 6 表 6 计算域划分与边界条件. 10 图片清单图片清单 图 1 冰箱外形示意图. 3 图 2 冰箱几何尺寸示意图（单位：mm）. 4 图 3 采用 Icem 创建的冰箱几何模型. 7 图 4 冰箱外表面网格. 8 图 5 冷藏室外表面网格. 8 图 6 冷冻室外表面网格. 9 图 7 截面体网格（x=300mm）. 9 图 8 瞬态计算残差曲线.11 图 9 冷藏室中心点温度时间曲线.11 图 10 冷冻室中心点温度时间曲线. 12 图 11 Z=300mm 处的温度曲线 . 12 图 12 Z=300mm 处的速度曲线(a)冷藏室 (b)冷冻室. 13 图 13 冷藏室温度达到 5时 Z=300mm 处截面的速度云图 . 14 图 14 冷藏室温度达到 5时 Z=300mm 处隔热层温度分布云图. 15 3 目标目标 本报告旨在通过 ANSYS 旗下软件 ICEM、FLUENT 进行美的冰箱的仿真。在 35环境温度下，求解得到冰箱启动后的冷藏室和冷冻室温度从 35分别降温到 5 和-18的降温曲线。 1. 引言 冰箱由冷藏室、 冷冻室两个独立空间组成， 室内空气采用自然对流方式进行热传递； 此外，还需要考虑冷量通过塑料 ABS 内胆、隔热层和冰箱外壁钢板的损失。 冰箱外形如图 1 所示: 图 1 冰箱外形示意图 冰箱几何尺寸示意图如图 2 所示： 冷藏室 F 冷冻室 R 4 图 2 冰箱几何尺寸示意图（单位：mm） 2. CFD 仿真过程 本次仿真所用网格采用 ANSYS R ICEM CFD 生成，所后采用 ANSYSR Fluent 作为 求解器进行求解。 2.1 控制方程 根据 Navier-Stokes 方程，采用控制体积法进行离散。由于温度是冰箱的关键性能参 数，因此除了考虑流动方程，即连续性方程、动量方程外，一定要考虑能量方程。 2.2 单位 本次模拟采用国际单位制，具体单位见表 1。 正面 冷藏室 F 冷冻室 R 侧面 600 600 50 800 800 1700 蒸发器A 冷凝器B 100 x y z y 5 表 1 单位系统（国际单位制） 变量变量 单位单位 质量 kg 长度 m 体积 m3 时间 s 温度 K 压力 Pa 力 N 2.3 材料物性参数 针对冰箱内的流动以自然对流为主的特点，因此必须考虑冰箱内空气密度变化对流 场和温度场的影响，在此将空气作为理想气体处理，遵循以下理想气体方程： (Eqn.2.3) 空气的物性参数如表 2 所示。 冰箱内胆材料 ABS 塑料物性如表 3 所示。 发泡剂物性如表 4 所示。 冰箱外壁钢板物性如表 5 所示。 表 2 空气理想气体物性表 空气理想气体空气理想气体 固液气相 气相 密度 1.85e-005 kg m-1 s-1 参考压力 1 atm 参考温度 25 C 热扩散系数 1.007E+03 J kg-1 K-1 定压比热容 Constant Pressure 导热系数 2.63E-2 W m-1 K-1 表 3 冰箱塑料内胆物性表 ABS 固液气相 固相 密度 1050kg m-3 参考压力 1 atm 参考温度 25 C 热扩散系数 7E-5 定压比热容 1.8E+03 J kg-1 K-1 导热系数 1.7E+2 W m-1 K-1 TR ppw ref 0 )(+ = 6 表 4 冰箱隔热层物性表 发泡剂发泡剂 固液气相 固相 密度 70kg m-3 参考压力 1 atm 参考温度 25 C 热扩散系数 2.124E-5 定压比热容 1.045E+03 J kg-1 K-1 导热系数 2E-2 W m-1 K-1 表 5 冰箱外壁物性表 Steel_Rolled 固液气相 固相 密度 7850kg m-3 参考压力 1 atm 参考温度 25 C 热扩散系数 1.728E-5 定压比热容 4.34E+02 J kg-1 K-1 导热系数 14 W m-1 K-1 2.4 几何与网格创建 ? 几何创建 分析表明，冰箱单元结构为标准形体，如长方体、圆柱体等，并无复杂几何结构； 因此采用 ICEM CFD 自带的几何创建功能生成冰箱几何模型；同时分析图 2 可知， 冰箱沿 X 方向呈几何对称结构，因此取长度（图 2 所示 X 方向）的 1/2 尺寸、宽度 和高度保持不变生成几何模型，如图 3 所示。通过这种方式，在保留冰箱几何特征 的同时，能够减少 1/2 的网格数量，从而大幅度降低求解时间。 ? 网格策略分析 考虑到冰箱几何的特点，即总体尺寸大（如冰箱外型尺寸，长：宽：高=600mm 600mm1700mm） ，部分元件尺寸小（如冷凝管/蒸发管直径仅为 10mm） ，这一特征 给网格划分带来一定困难，普通网格生成软件难以快速生成有效的网格。ICEM 采 用先进的八叉树算法，具有先进的拓扑功能，能快速捕捉图形轮廓，分析几何特征， 帮助使用者在较少的人工干预下，快速设置网格生成参数，得到较高质量的网格。 7 图 3 采用 Icem 创建的冰箱几何模型 ? 网格创建过程 从热传递的角度来分析，冰箱包括 ABS 塑料、发泡剂、钢等固体热传递区域，以及 空气流动区域，属于固气共轭传热问题。为实现这一仿真，将所创建几何分为三个 计算域，包括空气域、隔热泡沫域以及塑料内胆域；至于由 steel-rolled 制成的冰箱 外壁，由于钢的导热系数远大于附近介质空气和发泡材料，同时壁厚仅有 1mm，因 此可将钢壁面的热传递简化为沿壁面方向的一维导热。根据这一简化条件，采用将 冰箱外壁作为面域处理， 在 fluent 中单独设置 1mm 厚度值的方法考虑冰箱外壁对本 次仿真的影响。 所生成网格见图 4 至图 6 所示。 图 7 右侧显示的图像中不同颜色表明不同的物质点， 如黄色体网格代表隔热层网格， 淡蓝色体网格代表塑料内胆 ABS 层网格， 红色体网格表示冷冻室内空气网格。 不同 的计算域通过在 ICEM 中设置物质点进行区分。 本次模拟采用 ICEM CFD 软件生成四面体非结构化网格，本次生成的网格总数为 2,571,934，网格质量超过 0.13, 完全能满足计算所需要的网格精度标准。 8 图 4 冰箱外表面网格 图 5 冷藏室外表面网格 9 图 6 冷冻室外表面网格 图 7 截面体网格（x=300mm） 10 2.5 求解工况&计算域&边界条件 本文中所有参数由美的冰箱事业部提供，所采用边界条件与求解器控制参数见表.6 表 6 计算域划分与边界条件 Solid Domain (ABS_CANG_MT, ABS_DONG_MT, FOAM_MT) Domain Type Solid Solid List ABS, Foam_insulation Buoyant Model - Reference Pressure 1 atm Heat Transfer Model Conduction Fluid Domain (CANG_MT,DONG_MT) Domain Type Fluid Fluids List Air Ideal Gas Buoyant Model Buoyant(with gravity) Reference Pressure 1 atm Heat Transfer Model Natural convection Turbulence Model K-Epsilon Turbulence Wall Functions Automatic Operation Conditions Reference Pressure 1 atm Gravity -9.8m s-2 Initial Values Initial Temperature 35 Initial Velocity Vx=Vz=0.01m s-1,Vy=-0.01m s-1 Boundary Conditions Wall Type Symmetric face Symmetry Interface between solid domain and fluid domain Coupled Others Wall 2.6 结果分析 本次模拟的主要目的在于获得并分析冷藏室/冷冻室内温度分布，隔热层内温度分 布，温度随时间的变化曲线等，相关结果如下所示： 图 8 为本次瞬态计算的残差曲线： 11 图 8 瞬态计算残差曲线 图9为冷藏室几何中心点温度从环境温度35下降到工况温度5的温度时间曲线： 图 9 冷藏室中心点温度时间曲线 图 9 冷藏室中心点温度时间曲线 从该曲线图可知，达到冷藏工况温度 5约需 3459 秒，即冷藏室在 1 小时内从 35 环境温度降到 5。 12 图 10 为冷冻室几何中心点温度从环境温度 35下降到-12的温度时间曲线，由于 计算时间限制，没能算到下降到工况温度-18的时间点，根据曲线斜率估计，达到 -18所需时间大约为 2 小时。 图 10 冷冻室中心点温度时间曲线 图 11 为 Z=300mm 处的温度曲线： 图 11 Z=300mm 处的温度曲线 13 图 12 为温度冷藏室温度达到 5时 Z=300mm 处截面的速度曲线： (a) (b) 图 12 Z=300mm 处的速度曲线(a)冷藏室 (b)冷冻室 14 图 13 为温度冷藏室温度达到 5时 Z=300mm 处截面的速度云图： 图 13 冷藏室温度达到 5时 Z=300mm 处截面的速度云图 由图可知， 冷藏室和冷冻室速度低于 0.365m/s,而且靠近中心点处的速度变化较小， 速度梯度较大的区域主要存在于冷藏室和冷冻室的上方和底部角落部位。 图 14 为 z=300mm 处冷藏室与冷冻室中间部分隔热层的温度分布图， 由图可见， 隔热 层内温度从冷凝器附近的 40下降到 12.7。 15 图 14 冷藏室温度达