原標(biāo)題：算例分享:某型無厚度翅片水冷板散熱的Fluent仿真分析
隨著科技的發(fā)展，各種類型的工業(yè)品呈現(xiàn)出集成化、智能化、微型化的趨勢，部件的熱流密度也隨之大幅增加，普通的風(fēng)冷散熱在很多場景都已經(jīng)無法滿足需求。液體冷卻的常用冷卻工質(zhì)為水，或者配比不同體積分?jǐn)?shù)的乙二醇混合，以增強(qiáng)穩(wěn)定性。
因此，為了適應(yīng)大幅度散熱的需求，水冷板散熱器被廣泛的應(yīng)用于各類工業(yè)品的散熱冷卻，比如電動汽車電池包、光伏逆變器、電動汽車控制器、醫(yī)療器械、IT服務(wù)器、變流器、軍用各類電子控制機(jī)箱等。相對于傳統(tǒng)的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，水冷散熱能有效提高系統(tǒng)的散熱效果，增大散熱功率，且較容易實(shí)現(xiàn)高防護(hù)等級。
本算例基于某型水冷板進(jìn)行Fluent仿真分析，著重介紹工作流程；該產(chǎn)品主要個性化特點(diǎn)是冷板的外部，焊接了大量的波浪形散熱翅片，用來提升散熱效果。
一、幾何處理
對于大多數(shù)的水冷板散熱問題，工作思路較為明確，仿真中的物理?xiàng)l件設(shè)定也相對簡單；該類問題的主要難點(diǎn)在于幾何處理，常見的問題有以下幾個方面：
?、?部分散熱翅片厚度較小，如劃分三維幾何則工作量巨大，需做無厚度處理；
② 部分散熱區(qū)域連接處有曲線相切的情況，如不處理則網(wǎng)格質(zhì)量極差；
?、?部分幾何在格式轉(zhuǎn)換中存在問題，需要手動修復(fù)；
?、?……
本算例由仿真秀-Fluent交流群某網(wǎng)友提供，它基于某型水冷板進(jìn)行仿真分析，主要介紹仿真思路及方法，因此對于幾何的規(guī)模進(jìn)行了一定程度的縮減。
通過剖面圖可以發(fā)現(xiàn)，改型水冷板的翅片及箱壁厚度很?。?.1mm）如按照固體區(qū)域進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，則網(wǎng)格數(shù)量將不可控制，不符合工程項(xiàng)目效率優(yōu)先的思想，為此必須要進(jìn)行薄殼化處理。
同時，該模型周期性較強(qiáng)，但幾何規(guī)模較大。因此，本算例適當(dāng)?shù)臏p小了幾何的規(guī)模，但仍舊可以較好的說明該問題的仿真工作思路，同時可以增加學(xué)習(xí)效率。
1、幾何修復(fù)及檢查：該幾何僅包含實(shí)體，且并沒有干涉和間隙，因此不需要做任何的幾何修復(fù)工作。
2、內(nèi)流場獲?。和ㄟ^SCDM中“體積抽取”功能，可以快速獲取流體區(qū)域（只包含水）。
獲取內(nèi)流場后，使用“拉動、移動、直到”等功能對內(nèi)流場的尺寸進(jìn)行調(diào)整，去掉所有的狹縫區(qū)域，目的是減小網(wǎng)格的數(shù)量。
原固體箱體區(qū)域則不予保留，簡化為水部分流體幾何的外邊界（無厚度），該邊界兩側(cè)均為流體區(qū)域，內(nèi)部是水，外部是空氣。
3、翅片區(qū)域處理
翅片區(qū)域有兩個問題：一是厚度較小、二是與箱壁相切。
翅片厚度較小，通過SCDM中“抽取中面”功能，可以將其簡化為無厚度面，有效減小網(wǎng)格數(shù)量，提高工作效率。
翅片周期性明顯，而且有相切的區(qū)域需要處理，因此先取一個周期進(jìn)行修改，然后再陣列，可以提高工作效率。
通常CFD仿真中處理相切的方法就是增加一個臺階，對于本案例，同樣采用該種方式，首先把相切附近的面刪除掉，然后再把兩側(cè)融合起來，總的來講是按照以下“——————”四個步驟進(jìn)行的。
**步：面分割
第二步：面投影
第三步：面刪除
第四步：面融合
融合之后，翅片還剩下與箱壁重合的區(qū)域，必須要一并劃分出來，因?yàn)樯院筮€要做周期陣列，當(dāng)然本問題比較特別，翅片真巧完全切割了箱壁，因此即使不復(fù)制上下兩個平面原則上也可以完成相切的處理。但從更為完善嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕嵌葋碇v，還是建議復(fù)制這兩個面進(jìn)行下一步的操作。
翅片的周期操作，先把多個面拼接為一個面，再進(jìn)行周期，出于仿真的授課目的，仍舊是采用了縮減規(guī)模的周期，原14個周期的翅片縮減為6個。
周期使用的是SCDM中“繪制”功能。
4、外流場獲取
對于外流場的獲取，采用SCDM中“外殼”功能即可。需要注意的是，對于內(nèi)部區(qū)域也就是水的入口和出口，則不能包含在外流場內(nèi)部，需要適當(dāng)?shù)难由?。因?yàn)樗倪M(jìn)出口是外部邊界。
5、共享拓?fù)浣?jīng)過處理的SCDM文件結(jié)構(gòu)樹相對較亂，有實(shí)體、有面，有外殼，有陣列……建議用鼠標(biāo)框選所有的實(shí)體和面進(jìn)行復(fù)制，然后粘貼到新的文件頁面中，可以有效去除掉不同層級不同類型的實(shí)體架構(gòu)，更符合仿真分析（無層級之分）的幾何需求。
處理到新的文件中，需要進(jìn)行共享拓?fù)涞牟僮?，建議使用19.0以上的版本進(jìn)行操作，因?yàn)楦甙姹镜腟CDM對于共享拓?fù)涞姆€(wěn)定性較好。在Workbench標(biāo)簽中，選擇共享，隨后點(diǎn)擊對勾即可。
6、輸出幾何
必須輸出為.scdoc格式的文件，否則共享拓?fù)涞男Ч麑o法傳遞到網(wǎng)格劃分軟件中。
二、網(wǎng)格劃分
包含無厚度面的流體仿真問題，可以認(rèn)為屬于復(fù)雜的幾何問題，建議使用Fluent Meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分。當(dāng)然，由于Fluent Meshing軟件門檻較高，本算例仍舊使用Workbench Meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
1、讀入網(wǎng)格
由于Workbench Meshing嵌入在Workbench內(nèi)部，因此必須打開Workbench才能打開Workbench Meshing 。
2、邊界命名
邊界命名包含體命名與面命名，體命名較為容易，空氣區(qū)域與水區(qū)域直接命名即可；面邊界命名相對較為復(fù)雜，建議按照以下步驟：
**步：命名出入口等外部邊界；
第二步：命名翅片與箱壁重合部位thick baffle，方法如下圖，可以一次性命名尺寸一致的所有面；
第三步：命名其他單獨(dú)的翅片，方法與2類似；
第四步：其他內(nèi)部邊界不用命名，自動默認(rèn)為是水與空氣之間箱壁的區(qū)域。
3、網(wǎng)格生成
由于采用的是抽取中面的方式進(jìn)行的幾何處理，因此所有的面邊界都是帶厚度的，建議先全選，再將該類邊界的厚度設(shè)置為0。
網(wǎng)格劃分的設(shè)置，本例使用的是19.2版本，可能和其他版本有一定區(qū)別，詳情請參照下圖。
由于是示意算例，因此只有全局設(shè)置，不需要其他額外的任何設(shè)置。當(dāng)然，如果從更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕嵌葋砜?，還是建議添加邊界層網(wǎng)格。
4、網(wǎng)格檢查及輸出
網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量如下圖所示，輸出方式采用export方法。
三、求解設(shè)置
1、讀入網(wǎng)格
由于是使用Workbench Meshing進(jìn)行的網(wǎng)格劃分，因此在單位上并不需要做任何的處理。網(wǎng)格的顯示情況如下圖所示，可以發(fā)現(xiàn)所有的無厚度面均可以單獨(dú)顯示。
需要注意的是，本例中的無厚度面默認(rèn)是interior類型，需要更改為wall類型。
2、求解設(shè)置
該問題的求解設(shè)置相對簡單，按照以下步驟處理即可。
**步：打開能量方程；
第二步：打開湍流方程；
第三步：設(shè)置兩種流體材料；
第四步：設(shè)置空氣的進(jìn)出口；
第五步：設(shè)置水的進(jìn)出口；
第六步：設(shè)置無厚度壁面的厚度及材料；
第七步：其他求解設(shè)置保持默認(rèn)即可，進(jìn)行仿真計(jì)算。
3、后處理情況
如下圖所示。
四、相關(guān)說明
由于本例屬于示意算例，因此簡化程度較大，僅為介紹仿真思路。
1、由于該算例并未給定合理的固體材料屬性以及完整的幾何場景，因此該算例的結(jié)果不具有任何的參考意義。
2、在幾何規(guī)模進(jìn)行了大幅縮減后，網(wǎng)格數(shù)量仍舊達(dá)到了4.4M，初步估計(jì)完整幾何（帶邊界層）的仿真計(jì)算，網(wǎng)格數(shù)量將在80-90M左右，是非常考驗(yàn)工程師水平的大規(guī)模仿真問題。
3、*后建議用戶選擇高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。
作者：張老師，仿真秀科普作者。
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