⽂件fluent_某型⽆厚度翅⽚⽔冷板散热的Fluent仿真分析 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
线内钩子
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。
拐角图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。
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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
样本制作翅⽚周期性明显，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
推拉式电磁铁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。自动变光电焊面罩
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问题，不断试错。
作者：张⽼师，仿真秀科普作者。
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