CFX—Ansys單向流固耦合分析之散熱器熱分析步驟

1、CF) An sys單向流固耦合分析散熱器熱分析1. 計算模型模型一般選用Iges格式，單位 mm,去掉直徑小于$30的孔及半徑小于 R10等細小特征，將散熱元器件接觸面分割出來。2. 兀器件發(fā)熱量IGBT損耗IGBT器件損耗包括IGBT、FWD穩(wěn)態(tài)損耗及開關(guān)損耗。根據(jù)lc=f(V ce)查出Vce 及I c的兩個值，分別輸入表一中，即可求出IGBT的穩(wěn)態(tài)損耗Pigbt-dc ,根據(jù)表 二求出FWD的穩(wěn)態(tài)損耗Pfwd-dc。根據(jù)表三、表四求出IGBT的開關(guān)損耗，表五求出FWD的開關(guān)損耗。根據(jù)已知的電阻、電流查出損耗值，然后根據(jù)實際電阻及已知電阻的比例關(guān)系求出實際 的損耗值。整流橋損耗根據(jù)公式求

2、出Ide ,然后查表得出整流橋損耗，其中I o為電流值，其他參數(shù)不變。具體參見“IGBT、整流橋功耗計算(ECM探).xlsx”及元器件手冊。熱量輸入采用熱 流密度，單位W/m2。3. 創(chuàng)建文件夾a) 建立一個總文件夾，如“ radiator(ECM43) ”b) 在radiator(ECM43)里建立IGS hm、efx及wb文件夾，IGS文件夾里放入模型數(shù)據(jù)，hm里放入網(wǎng)格數(shù)據(jù)，efx里放入流體分析文件，wb文件夾里放入熱分析文件4. 網(wǎng)格劃分采用Hypermesh戈U分網(wǎng)格，必須使散熱器網(wǎng)格與流體網(wǎng)格坐標(biāo)一致。4.1. 啟動“ Hypermesh ”在桌面上雙擊圖標(biāo) 開始？所有程序？ A

3、ltair Hyperworks 8.0 sr1? hypermesh42 導(dǎo)入模型File? Import ? Geometry? IGESScale factor-10.001 1cleanup tol -1| 0 . 0 0 0 1 _Geometry Color? ByTopo 'l( Shaded Geometry and Surface EdgesHy4.3. 程序參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)格式選擇 Preferences? User Profiles- ' 選擇 Preferences? Options ,Op伽s- _歯 modelingnodm tol |0 . 0 0 0

4、 1 _4.4. 體網(wǎng)格劃分3D? tetramesh ? volume tetraEnclosed volume: "”，nnHint: Shift+左鍵拖動選擇散熱器全部表面點擊 mesh開始網(wǎng)格劃分，看到 5317 modes and 171 <155 elements were cne&ted.提示信息表示網(wǎng)格劃分結(jié)束。4.5. 網(wǎng)格質(zhì)量檢查快捷鍵 F10, 3 d? tet collapseE1' "'1 '0 of 171455 (0%) failed. The minimum tetra collapse is 0.07.

5、 如果collapse值為0.00，建議減小單元尺寸重新劃分網(wǎng)格。4.6. 生成面單元Tool? Faces? I?' i-：?.f-二Zmm34.7.建立IGBT整流橋單元集在左側(cè)列表中建立IGBT及整流橋的Comp onent。H3 fC (Siks Ic 9|>Entitiesr1 _| Assembly H ierarchyL. 口亠 R"?鼻 ComponNew1DeleteRenameRemoveModel Utility |Model | Utility4#EntitiesID_2j Assembly Hierarchy也 MO1ny 令 aultol4也

6、 Afaces5內(nèi)令gbt6曲 ® bri7快捷鍵Shift+F11 ?1-.? |c I.-：然后將整流橋?qū)?yīng)的網(wǎng)格移入* I:- ' - ? L：_ 一 ？丨丨 n_|ld ? I"“r 一選擇IGBT對應(yīng)的表面，點擊mwe完成操作,bri” 里。5#刪除臨時網(wǎng)格"faces”也 Ivtl airtol#此時，散熱器網(wǎng)格已經(jīng)劃分完畢，下面進行流體網(wǎng)格的劃分。4.8. 建立流體通道壁面模型只顯示散熱器曲面6Model | *御 ts to ?|9EntiresID曰 1_十 Assembly Hierarchy四令I(lǐng)BS0 令autol4 砂igbte

7、令b<iL(I-LtLIT JI=由4, Components 復(fù)制通道模型至新建組“cfd sur”快捷鍵Shift+F11宿 collectors |serfsKlIdest =c f d - s u r#閉合曲面Geom? Surfaces? Spline/filler IlinesHauto ere ate (free edges only) | keep tangency4.9. 面網(wǎng)格劃分快捷鍵F12心hindudd： |comp: dd-sur |surlssOBmeni 肯 iiE 曰=r0.001學(xué) |slerhE 忙 surl campsize and biasnn&

8、amp;eh如曰.rnooad學(xué) |lirst order廠 Ql DpbinizB兩 snze control廣 edg deviation兩 skew canlrol選擇流體入口及出口表面劃分網(wǎng)格，單元尺寸為0.001m，單元類型為“混合型”或選擇“正方形”，并且選擇“一階”。對剩余表面劃分網(wǎng)格unmeshed surfs，并改變單元尺寸，這樣可以大減少單元的數(shù)量，且不會影響分析結(jié)果。但是要注意單元的“邊長比”不能超5。element size =|2 . 5 e - 0 3新建兩個組“fixed ”及“ float ”Model UtiRyft !<Entities| ID f M

9、E'1 Assemb H ierarchyMO1-Jautol4-n © igbt6l -Jbm7cfd-ui fined9刃令 float10固定邊界可以用來表示流體壁面，可移動邊界表示流體的入口及出口。 將入口及出口網(wǎng)格移入“ float ”，其他網(wǎng)格移入“ fixed ”快捷鍵Shift+F114.10. 流體網(wǎng)格劃分3D? tetramesh ? CFDmesh固定邊界層選擇組“ fixed ”，移動邊界層選擇組“ float ”。邊界層數(shù)量為1邊界層厚度略小于單元盡寸單元生長率1.011.2過渡層選擇“ all prism ”4.11. 網(wǎng)格質(zhì)量檢查如果太多網(wǎng)格質(zhì)量

10、太差可能導(dǎo)致分析失??！4.12. 生成面網(wǎng)格 參見4.6。4.13. 建立新組 “ iniet”、“ outlet”、“wall” 并改變顏色Entiti朋|屮|EP 匚J Assembly H ierachy”-倉IvD1”令autal4U©igbt6L今bri7：令cfd-surBI 令fined9P jHoat102) CFD_boundari_ layer 11 -2)會 CFDjeUamesh_core 13"a*Vinlet15倉outlet16創(chuàng)©wall174.14. 將對應(yīng)入口、出口以及壁面網(wǎng)格分別移入"in let ”、“ outle

11、t ”及"wall ”里在Hypermesh里新建這三個分組很有必要，否則在CFX中需要重新生成這些分組,Hypermesh在網(wǎng)格處理方面的優(yōu)勢可以大大提高工作效率。4.15. 刪除臨時網(wǎng)格"faces”此時我們完成了網(wǎng)格的劃分工作！4.16. 網(wǎng)格導(dǎo)出選擇流體網(wǎng)格對應(yīng)的組E ntitiesID14678g101113151617Model UtilityJM0j令auto!igbtJ令briu令cld-sirufixed©floatnCFD_bouridary_laverZ)©匚 FD_lelramesh_core也©inletr)cutle

12、lwall _| Assembly HierarchyFiles? export ? displayed? write as,建議命名為 fin*.bdf 。后綴為“ .bdf”，如果沒有得手動添加。注意導(dǎo)出的網(wǎng)格不要包括實體或曲面，否 則計算軟件不能識別會出現(xiàn)錯誤。選擇散熱器網(wǎng)格對應(yīng)的組導(dǎo)出的散熱器網(wǎng)格必須包括IGBT及整流橋的網(wǎng)格組，否則很難在 workbench中將生成該組，無法加載邊界條件。EntitiesID>Ml曰口 Assembly Hierarchy. _j Assembly Hierarchy：MO1bd ®autol4口:也令igbtE躬令bri7 今cfd

13、-ur6： fined9j 令float10j 令匚FD_ boundaiy_layer 11今CFD Jetra mesh_core 13；令inlet15.j 令 outletIE .U 令17 Files? export? displayed? write as,建議命名為 radiator*.bdf。5. 有限元分析流體分析采用CFX軟件，散熱器熱分析采用ansys求解器，耦合分析采用 Workbench 集成環(huán)境。5.1. 流體分析導(dǎo)入流體網(wǎng)格 V ,選擇fin*.bdf更改面網(wǎng)格名稱-1- Principal 2D Regions i 口 卒 wall 卜卡 outlet 打-口

14、辛 inlet定義流體域巴J名稱采用fin*General Options Fluid Ntodels RiitiabsatiomLo 匚 ationDoniain TypeFkiids L 試Coord FrrheSftttings10#Particle Tracking#Dam 別 n ModelsPressire#Detail oF fin43General OptionsFluid ModelsIntiaisatiorHet Transfer11Option| Ttierrr*al EnergyIncl. Viscous DissipationTurbdenceOption| k<

15、;psfonWall Firction| Scalable#Advanced ControlReacUon or Ccmtustion - MoneThermal Radiation Model - None設(shè)置邊界條件口“in let ”Details oF inlet in fin43Basic SettingsBoundary DetailsSourcesBoundary TypeInlet#inletLccaticn2 Goord FMme#匚 acrd Frame| Goord 0#outlet#Details of outlet in fln43Basic SettingBound

16、ary Details| SourcesBoundary TypeCutletTLocation| outletT1 廠miffM IPiminriQ uuru廠也mi昌Caofd Frame| Goord 0Basic SettingsBoundary DetailsDetails cf outlet in fin4312#Flow RegimeOpbioriSubsonicMa?s And MomentumOptionAverage Static Pircssure #Relative Pressure0P"#Basic SettingsBourtdary DetailsSour

17、cesPressure Profile BlendwallDetail of wall m Fin43Boixidary TypeLocetior* 匚ocrd FramtCoord FrameThin 別 rfac 缶Create Thin Surface PartnerDetails cF wall in hn43#Boundary DetailsEaic SettingsSources#初始條件kBTurbulenee Eddy初始條件基本使用默認即可，不需要設(shè)置，只在選擇 Dissipati on ” 即可。D at ails of Global InitialisationGloba

18、ll Settings廣 Coard FrameJntial ConditionsVelocity Type| Cartesian2I Cartesian Telocity ComporientsOptionAutomatic*廠 Velocity ScaleStatic PressureOptionAutomatic1TemperatureOption| Automatic、Turbulence Kinetic EnergyOptionAutomatic 7江蟲也.豈匹艮旦擔(dān)工衛(wèi)住目總或.©9OptionAutomatic求解控制辻 最大迭代次數(shù)改為1000,保證計算收斂。Adve

19、ction SchemeOption| High ResolutionConverge n匸巳匸 untroilMinimum Number of iteration田13#l MaxiHMiii Timescale ElConvergienob CriteriaResidual Type|RM5Residual TargetL.E-4求解一不需要做任何設(shè)置，點擊“ Start Run”即可啟動CFX求解器。程序自動運行 并顯示求解過程，即收斂過程。計算收斂或者達到最大迭代次數(shù)，計算終止，此 時可以進入CFX后處理器查看結(jié)果。#Def Em He:.dff14olTR瑙良unInftidFie

20、廠 irAorpdMo 】M詡 YaMh onio X FUe M&*h#求解完成后生成結(jié)果文件"fin*_001.res ”。5.2. 熱分析采用AnsysWorkbench進行熱分析，期間將 CFX求解的流體結(jié)果加載到散熱器模型上。5.2.1. 啟動 workbench 3St artBevEmpty Prje-ctCrf wnetryAdvance d CFDFinite Element#5.2.2. 點擊"Finite Element Model ”啟動有限元模塊，然后選擇Hypermesh導(dǎo)出的網(wǎng)格模型 radiator*.bdf 。選擇默認的單位系統(tǒng)，如

21、圖所示：Select Unit Systend Metric (m, kg, N, " C, V, A)C Metric (cm,召 dyne,"匚 s, V, A)C Metric (jnmkg, N, " C,兮 mV, mA)1 Mmtri c (lm? kg,n G%mA)r u. s.Custom：=Lrylb叫ILbf, - F,A)r u. s.Custom：=Lt_y(in,lbm,Ibf. - F,JA)Custom Unit2Cancel#生成實體模型Outline*GraphicH Project樽 Import Swn*try_H4 Gen

22、eraData+Hlerntut Types (J)Bodi es (1):Gaamet；IiissrlInitial GtemtlryHint: workbench中必須有實體模型才可以定義模型屬性5.2.3. 分析模塊卑hcjcci X (H【"*!】t«ii)M> jfSIQRtf k 0n lti«l Taiki1*«0>p*nFrfrjtctl#T 也rtdi*t«rCOp«b iAtlnii in U5TS定義材料屬性 先選擇實體etails of "Solad 1*厚打 It r<>h.

23、i cs. ProtFii i tes-DefiBitionSTLPPFl4i554d9fa.t trialStiffness BehariorHani lne<r X««ra«l Ef f«cl x.+ SoulAIbe Dok齡 Inpra-t .'：Edit SlriictuxaL SteeL.S t JfU 亡 機.FlexibleNtw M&lferii&l.材料選擇鋁合金。5.2.4.定義邊界條件定義熱流密度Iffew An sly si 5 '-.4；白 Stati«c Structural FleKible Dyn» c© Rigid Dyntmicd Harm oid c 田 ModalLinear Buckling|j| Random Vibration|Al Sh&p Optimi zeti ons：電ICFU Loads *15分別選擇IGBT及整流橋表面作為熱載荷加載區(qū)域，并輸入之前求得的熱流密度值。定義對流換熱系數(shù)