原标题：算例分享: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

　　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交流群某网友提供，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。

　　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。

　　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。

　　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）。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　**步：面分割

　　第二步：面投影

　　第三步：面删除

　　第四步：面融合

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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：

　　**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。

　　3、网格生成

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　**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；

　　第六步：设置无厚度壁面的厚度及材料；

　　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。

　　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、*后建议用户选择高性能计算机进行处理。

　　作者：张老师，仿真秀科普作者。

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