CFX—Ansys单向流固耦合分析之散热器热分析步骤

1、CF) An sys单向流固耦合分析散热器热分析1. 计算模型模型一般选用Iges格式，单位 mm,去掉直径小于$30的孔及半径小于 R10等细小特征，将散热元器件接触面分割出来。2. 兀器件发热量IGBT损耗IGBT器件损耗包括IGBT、FWD稳态损耗及开关损耗。根据lc=f(V ce)查出Vce 及I c的两个值，分别输入表一中，即可求出IGBT的稳态损耗Pigbt-dc ,根据表 二求出FWD的稳态损耗Pfwd-dc。根据表三、表四求出IGBT的开关损耗，表五求出FWD的开关损耗。根据已知的电阻、电流查出损耗值，然后根据实际电阻及已知电阻的比例关系求出实际 的损耗值。整流桥损耗根据公式求

2、出Ide ,然后查表得出整流桥损耗，其中I o为电流值，其他参数不变。具体参见“IGBT、整流桥功耗计算(ECM探).xlsx”及元器件手册。热量输入采用热 流密度，单位W/m2。3. 创建文件夹a) 建立一个总文件夹，如“ radiator(ECM43) ”b) 在radiator(ECM43)里建立IGS hm、efx及wb文件夹，IGS文件夹里放入模型数据，hm里放入网格数据，efx里放入流体分析文件，wb文件夹里放入热分析文件4. 网格划分采用Hypermesh戈U分网格，必须使散热器网格与流体网格坐标一致。4.1. 启动“ Hypermesh ”在桌面上双击图标 开始？所有程序？ A

3、ltair Hyperworks 8.0 sr1? hypermesh42 导入模型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. 程序参数设置数据格式选择 Preferences? User Profiles- ' 选择 Preferences? Options ,Op伽s- _歯 modelingnodm tol |0 . 0 0 0

4、 1 _4.4. 体网格划分3D? tetramesh ? volume tetraEnclosed volume: "”，nnHint: Shift+左键拖动选择散热器全部表面点击 mesh开始网格划分，看到 5317 modes and 171 <155 elements were cne&ted.提示信息表示网格划分结束。4.5. 网格质量检查快捷键 F10, 3 d? tet collapseE1' "'1 '0 of 171455 (0%) failed. The minimum tetra collapse is 0.07.

5、 如果collapse值为0.00，建议减小单元尺寸重新划分网格。4.6. 生成面单元Tool? Faces? I?' i-：?.f-二Zmm34.7.建立IGBT整流桥单元集在左侧列表中建立IGBT及整流桥的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内令gbt6曲 ® bri7快捷键Shift+F11 ?1-.? |c I.-：然后将整流桥对应的网格移入* I:- ' - ? L：_ 一 ？丨丨 n_|ld ? I"“r 一选择IGBT对应的表面，点击mwe完成操作,bri” 里。5#删除临时网格"faces”也 Ivtl airtol#此时，散热器网格已经划分完毕，下面进行流体网格的划分。4.8. 建立流体通道壁面模型只显示散热器曲面6Model | *御 ts to ?|9EntiresID曰 1_十 Assembly Hierarchy四令IBS0 令autol4 砂igbte

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

8、amp;eh如曰.rnooad学 |lirst order厂 Ql DpbinizB两 snze control广 edg deviation两 skew canlrol选择流体入口及出口表面划分网格，单元尺寸为0.001m，单元类型为“混合型”或选择“正方形”，并且选择“一阶”。对剩余表面划分网格unmeshed surfs，并改变单元尺寸，这样可以大减少单元的数量，且不会影响分析结果。但是要注意单元的“边长比”不能超5。element size =|2 . 5 e - 0 3新建两个组“fixed ”及“ float ”Model UtiRyft !<Entities| ID f M

9、E'1 Assemb H ierarchyMO1-Jautol4-n © igbt6l -Jbm7cfd-ui fined9刃令 float10固定边界可以用来表示流体壁面，可移动边界表示流体的入口及出口。 将入口及出口网格移入“ float ”，其他网格移入“ fixed ”快捷键Shift+F114.10. 流体网格划分3D? tetramesh ? CFDmesh固定边界层选择组“ fixed ”，移动边界层选择组“ float ”。边界层数量为1边界层厚度略小于单元尽寸单元生长率1.011.2过渡层选择“ all prism ”4.11. 网格质量检查如果太多网格质量

10、太差可能导致分析失败！4.12. 生成面网格 参见4.6。4.13. 建立新组 “ iniet”、“ outlet”、“wall” 并改变颜色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创©wall174.14. 将对应入口、出口以及壁面网格分别移入"in let ”、“ outle

11、t ”及"wall ”里在Hypermesh里新建这三个分组很有必要，否则在CFX中需要重新生成这些分组,Hypermesh在网格处理方面的优势可以大大提高工作效率。4.15. 删除临时网格"faces”此时我们完成了网格的划分工作！4.16. 网格导出选择流体网格对应的组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,建议命名为 fin*.bdf 。后缀为“ .bdf”，如果没有得手动添加。注意导出的网格不要包括实体或曲面，否 则计算软件不能识别会出现错误。选择散热器网格对应的组导出的散热器网格必须包括IGBT及整流桥的网格组，否则很难在 workbench中将生成该组，无法加载边界条件。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,建议命名为 radiator*.bdf。5. 有限元分析流体分析采用CFX软件，散热器热分析采用ansys求解器，耦合分析采用 Workbench 集成环境。5.1. 流体分析导入流体网格 V ,选择fin*.bdf更改面网格名称-1- Principal 2D Regions i 口 卒 wall 卜卡 outlet 打-口

14、辛 inlet定义流体域巴J名称采用fin*General Options Fluid Ntodels RiitiabsatiomLo 匚 ationDoniain TypeFkiids L 试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设置边界条件口“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 厂miffM IPiminriQ uuru厂也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#初始条件kBTurbulenee Eddy初始条件基本使用默认即可，不需要设置，只在选择 Dissipati on ” 即可。D at ails of Global InitialisationGloba

18、ll Settings广 Coard FrameJntial ConditionsVelocity Type| Cartesian2I Cartesian Telocity ComporientsOptionAutomatic*厂 Velocity ScaleStatic PressureOptionAutomatic1TemperatureOption| Automatic、Turbulence Kinetic EnergyOptionAutomatic 7江虫也.岂匹艮旦担工卫住目总或.©9OptionAutomatic求解控制辻 最大迭代次数改为1000,保证计算收敛。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设置，点击“ Start Run”即可启动CFX求解器。程序自动运行 并显示求解过程，即收敛过程。计算收敛或者达到最大迭代次数，计算终止，此 时可以进入CFX后处理器查看结果。#Def Em He:.dff14olTR瑙良unInftidFie

20、厂 irAorpdMo 】M詡 YaMh onio X FUe M&*h#求解完成后生成结果文件"fin*_001.res ”。5.2. 热分析采用AnsysWorkbench进行热分析，期间将 CFX求解的流体结果加载到散热器模型上。5.2.1. 启动 workbench 3St artBevEmpty Prje-ctCrf wnetryAdvance d CFDFinite Element#5.2.2. 点击"Finite Element Model ”启动有限元模块，然后选择Hypermesh导出的网格模型 radiator*.bdf 。选择默认的单位系统，如

21、图所示：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#生成实体模型Outline*GraphicH Project樽 Import Swn*try_H4 Gen

22、eraData+Hlerntut Types (J)Bodi es (1):Gaamet；IiissrlInitial GtemtlryHint: workbench中必须有实体模型才可以定义模型属性5.2.3. 分析模块卑hcjcci X (H【"*!】t«ii)M> jfSIQRtf k 0n lti«l Taiki1*«0>p*nFrfrjtctl#T 也rtdi*t«rCOp«b iAtlnii in U5TS定义材料属性 先选择实体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龄 Inpra-t .'：Edit SlriictuxaL SteeL.S t JfU 亡 机.FlexibleNtw M&lferii&l.材料选择铝合金。5.2.4.定义边界条件定义热流密度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：电ICFU Loads *15分别选择IGBT及整流桥表面作为热载荷加载区域，并输入之前求得的热流密度值。定义对流换热系数