利用FLUENT软件模拟流固耦合散热实例

1、Gambit创建模型创建模型 FLUENT计算及后处理计算及后处理 Gambit创建模型创建模型 创建几何模型 划分网格 指定边界条件 Circuit board (externally cooled) k = 0.1 W/mK h = 1.5 W/m2K T = 298 K Air Outlet Air inlet V = 0.5 m/s T = 298 K Electronic Chip (one half is modeled) k = 1.0 W/mK Q = 2 Watts Top wall (externally cooled) h = 1.5 W/m2K T = 298 K Sy

2、mmetry Planes 问题描述问题描述 Chip Board Fluid 创建计算区域创建计算区域 1. 2.创建一个创建一个plane来分割来分割volume 1 创建创建board区域区域 移动移动plane到适当位置，对到适当位置，对volume 1进行进行split 将创建的将创建的plane沿沿Y向上平移向上平移0.13.4. 用平移后的用平移后的plane对对volume 1进行进行split 5. 创建创建chip体体6.移动移动chip体到具体位置体到具体位置 7.用体相分割，得到流体区域用体相分割，得到流体区域Volume 2 Volume 2 Volume 3 Vol

3、ume 2 split with volume 3 划分网格划分网格 1.将将chip边划分为边划分为15*7*4 4 7 15 2.划分其他边的网格划分其他边的网格 Board沿沿Y向边：向边： 4 Board沿沿Z向边：向边： 8 Fluid 沿沿Y向边：向边： 16 沿沿X方向长边：方向长边： 100 划分数：划分数： 4 4 4 100 100 16 16 16 16 8 8 3.划分体的网格划分体的网格 选择所有体选择所有体 指定边界条件指定边界条件 1。隐去网格，便于操作。隐去网格，便于操作 2。指定速度入口。指定速度入口 Inlet Velocity_inlet 3。指定压力出口

4、。指定压力出口 Outlet Pressure_outlet 4。指定。指定board-side为为wall 类型类型 Board-side wall 5。指定。指定board上的对称面上的对称面 Board symm Sym-1 边界类型条件都为边界类型条件都为 symmetry 6。指定。指定board上的上下面边界条件类型上的上下面边界条件类型 wall Board top Board bottom 7。指定。指定chip上的边界条件类型上的边界条件类型 A B F C D G E H Chip边界类型：边界类型： 与与board接触的面接触的面BCDE : chip-bottom -w

5、all 与流体接触的与流体接触的4个面个面 : chip-side -wall （ABCH,CDGH,DEFG,AHGF) 面面ABEF : chip-symm -symmetry 8。指定。指定fluid区域上的边界条件类型区域上的边界条件类型 fluid-symm Sym-2 A D C B Fluid区域的顶面区域的顶面 ABCD wall 9。指定区域类型。指定区域类型 指定流体区域指定流体区域 指定固体区域指定固体区域 1 2 3 绿色绿色 : fluid 红色（红色（chip） : solid 紫色（紫色（board）: solid 10。输出网格。输出网格 1 2 在File N

6、ame中自定义名称 然后 Accept 网格成功输出 FLUENT计算及后处理计算及后处理 l 读入mesh文件 l 选择物理模型 l 定义材料属性 l 指定边界条件 l 初始化 l 设置求解器控制 l 设置收敛监视器 l 计算 l 后处理 1 . FLUENT读入网格读入网格 File-Read-Case 选择刚从Gambit中输出的网格文件(.msh文件) Grid-Check 检查网格质量，确定最小体积大于0 此数值大于0 启动3D-FLUENT 2 . 确认计算域大小确认计算域大小 Grid-Scale 在Gambit中是以m为单位建模 在Scale Grid菜单中，选择Grid wa

7、s created in inch, 点击 change length units, 然后再点击 Scale, 得到正确 大小的计算区域。 3 . 选择求解器，物理模型选择求解器，物理模型 DefineModel-Solver 保持缺省值。 DefineModel-Energy 打开能量方程，设计到温度计算。 DefineModel-Viscous 4 . 定义材料属性定义材料属性 DefineMaterials 流体材料中包含air，不另需定义 定义固体材料：chip,board 在Materials面板中Material Type 下拉菜单中选择 solid，在Name中输入board,

8、删除Chemical Formula中的内容， 将Thermal Conductivity 设置为0.1；点击Change/Create按扭，在弹出的菜单中选择 No.同样创建材料 chip 5 . 定义边界条件定义边界条件 DefineBoundary Conditions 指定流体区域材料类型 在Boundary Conditions面板中,Zone下面选择fluid,然后在Type一侧选择fluid，点击Set按扭, 在弹出的Fluid面板中选择Material Name 为air（实际默认正确）。 指定固体区域材料类型 在Boundary Conditions面板中,Zone下面选择b

9、oard,然后在Type一侧选择solid，点击Set按扭, 在弹出的Solid面板中选择Material Name 为board（实际默认正确）。同样指定chip材料类型 指定chip的热生成 在Solid面板中,勾选Source Terms，然后选择Source Terms菜单，点击Edit，进入Energy面板，将数值设为1， 菜单将扩展开来，从下拉选项中选择constant, 然后将前面数值设定为904000，然后确认OK。 指定速度入口条件 在Boundary Conditions面板中,Zone下面选择inlet, 确认Type下为velocity-inlet,点击Set进入到Ve

10、locity- inlet面板中，在velocity specification method右边选 择Magnitude and Direction, 菜单展宽。 在Velocity Magnitude后面输入1, 在x-Componen of Flow Direction后面输入1，其他方向保持为0。表 示air流体沿x方向以1m/s的大小流动。 选择Thermal 菜单将Temperature设定为298K。 指定压力出口条件 指定symmetry条件 在Boundary Conditions面板中,Zone下面选择board- symm,确认Type下为symmetry; 同样对chi

11、p-symm, fluid-symm, sym-1, sym-2进行确 认，不需要另外设置。 指定模型跟外部氛围的换热条件 在Boundary Conditions面板中,Zone下面选择 top-wall,确认Type下为wall;点击Set进入wall面板，选择 Thermal 菜单，在Thermal Conditions下选择Convection，设置Heat Transfer Coefficient 为1.5，Free Stream Temperature为298。 top-wall：模型Y向最顶部跟周围氛围的换热条件，其材料默认为铝。 board-bottom：模型Y向最小面跟周围氛

12、围的换热条件 在Boundary Conditions面板中,Zone下面选择 board-bottom,确认Type下为wall;点击Set进入wall面板，选 择Thermal 菜单，在Thermal Conditions下选择Convection，设置Heat Transfer Coefficient 为1.5，Free Stream Temperature为298。 将Material Name下的选项选择为board. 指定与chip相关的边界条件 在Boundary Conditions面板中,Zone下面选择 chip-bottom,确认Type下为wall;点击Set进入wal

13、l面板，选 择Thermal 菜单，在Thermal Conditions下选择默认为Coupled,将Material Name下的选项选择为chip. 1 chip-bottom 2chip-side 指定与board相关的边界条件 board-side board-top 5 . 求解设置求解设置 Solve-Control-Solution 保持默认设置 Solve-Initialize-Initialize 1 432 从Compute From下拉项中选择inlet,然后依次点击init，进行初始化, Apply, Close 进行初始化 Solve-Monitors-Residu

14、al 设置收敛标准 勾选Plot 在计算迭代过程中，能直接对收敛过程 进行监测。 默认的标准能满足当前问题的精度 6 . 求解迭代求解迭代 Solve-Iterate 在Iterate面板中设置Number of iterate 300 次， 然后点击Iterate, 进行计算。 监测残差曲线 Residual 各监测曲线都达 到设定的收敛标准。 Fluent窗口中 显示达到收敛 后处理后处理 1.显示chip附近的温度分布 2.显示z=0平面的温度分布 3.创建速度矢量图 创建y=0.25inch的平面 Surface-Iso-Surface 1 2 3 4 5 1.在Surface of

15、constant下面选择Grid; 2.选择Y-Coordinate; 3.点击Compute,将会显示Y值的最小、最大值； 4.在Iso-Value下输入 0.25;并命名为y=0.25; 5.点击Create创建平面 Display-Vectors. Select y=0.25 从 the Surfaces list； Enter 3.8 for the Scale； Enable Draw Grid in the Options group box，将 弹出Grid Display菜单，选择Face从Options中， 随后从Surfaces下面选择board-top,chip-side

16、,接着点击 Colors按扭，进入Grid Colors菜单，按图进行设定。 点击点击Vector面板下的面板下的Apply Display- Views. Display- Options. 从Mirror Planes选择chip-symm 勾选Light On 最后效果图最后效果图 附：附：考虑考虑chip与与board之间的接触热阻对散热的影响之间的接触热阻对散热的影响 1.另外定义一种新材料另外定义一种新材料 2. 定义定义chip-bottom边界条件边界条件 在Material Name下选择材料thermal-resistant； 定义Wall Thickness 为0.02i

17、nch; 继续进行迭代计算继续进行迭代计算 3.结果比较结果比较 无热阻无热阻 最高温度最高温度406K 有热阻有热阻 最高温度最高温度414K 热量容易传导下去 热量传导困难 7.用体相分割，得到流体区域用体相分割，得到流体区域Volume 2 Volume 2 Volume 3 Volume 2 split with volume 3 10。输出网格。输出网格 1 2 在File Name中自定义名称 然后 Accept 网格成功输出 指定速度入口条件 在Boundary Conditions面板中,Zone下面选择inlet, 确认Type下为velocity-inlet,点击Set进入

18、到Velocity- inlet面板中，在velocity specification method右边选 择Magnitude and Direction, 菜单展宽。 在Velocity Magnitude后面输入1, 在x-Componen of Flow Direction后面输入1，其他方向保持为0。表 示air流体沿x方向以1m/s的大小流动。 选择Thermal 菜单将Temperature设定为298K。 指定模型跟外部氛围的换热条件 在Boundary Conditions面板中,Zone下面选择 top-wall,确认Type下为wall;点击Set进入wall面板，选择 Thermal 菜单，在Thermal Conditions下选择Convection，设置Heat Transfer Coefficient 为1.5，Free Stream Temperature为298。 top-wall：模型Y向最顶部跟周围氛围