PERA SIM Fluid在电子散热冷板热仿真中的应用

导读：本文基于安世亚太公司自主研发的高级通用流体CFD软件PERA SIM Fluid，对某逆变器所用的水冷板进行热仿真CFD计算（包括模型处理、网格划分、求解设置及后处理显示）。

本案例主要讲解了以下内容：

• PERA SIM Fluid丰富的CAD接口；

• PERA SIM Fluid对冷板模型的多种网格处理方式；

• PERA SIM Fluid网格的显示及质量检查；

• PERA SIM Fluid求解计算的相关设置；

• PERA SIM Fluid的后处理显示。

具体的操作步骤如下：

一、模型处理

1）导入模型

PERA SIM Fluid可以导入市面上主流的多种数据格式的CAD模型，如图1所示。

将水冷板的CAD模型导入后，PERA SIM Fluid自动根据模型本身的几何特征，形成点、边、面特征，并对不同的面赋予不同的颜色，面的颜色与其名字所显示的颜色完全一致，非常方便用户对模型进行检查，如图2所示。用户可以在模型树下点击勾选以隐藏/显示对应的特征。

图1几何导入接口

图2  导入水冷板模型

2）建立、封闭冷板进出口边界

PERA SIM Fluid提供了多样化的前处理工具。对于此水冷板的CFD仿真计算而言，需要建立冷板进出口边界，并抽取其内部的流体空间模型，以建立共轭传热数值计算的完整流体模型。点击主菜单的几何面板，设置选择模式为选择边，分别选择进出口边，点击创建面按钮，即可建立边界面模型。

选择水冷板的入口面模型，鼠标右键菜单中选择“Move to Group移动到组”，或者点击主菜单的移动到组命令，在左侧的属性面板中输入新的名称in，点击移动，完成进口边界的建立。同理将另一侧的面模型命名为out，如图3所示。

图3  命名进出口边界

3）抽取水冷板的内部流体空间

PERA SIM Fluid的快速修复功能，用于缝合模型中的容差间隙、查看模型中干涉交叉的面、补洞等修复功能；其识别体功能，用于在几何拓扑关系的基础上自动寻找封闭的体积空间，用于流体网格的划分。先点击快速修复、再点击识别体命令，PERA SIM Fluid将在前述模型的基础上，抽取控制水冷板内部的流体空间区域。

在模型树下，选择冷板表面的5个体热源模型，点击右键，选择“Delete Group and Contents”），将这些体热源删除。

选择模型树下冷板表面的不同面，点击右键，可以对其进行重命名。以Share命名的面表示不同体之间的共享面，用于共轭换热耦合计算，如图4所示。

图4  抽取冷板内部流体模型

二、网格划分及检查

PERA SIM Fluid拥有非常丰富的网格控制技术，既可以对网格参数进行全局设置，也可以进行局部设置。另外，可以对固体表面附近的流体进行边界层加密，也支持对局部空间进行网格细化。

1）点击全局图标，设置网格的最大尺寸为10毫米，最小尺寸为1毫米，网格增长率默认为1.2。

图5  全局网格参数设置

2）对于CFD流体计算而言，为了更好捕捉壁面附近的变量梯度，通常需要对流体空间近壁面处划分边界层网格。点击边界层图标，选择Volume7water，选择Volume7water-Share_B3.5_S，设置边界层选项为打开，输入层数为3，第一层层高为0.5毫米，增长率1.25，如图6所示；未被进行特殊设置的模型，其仍然使用全局网格的参数进行网格划分。

图6  边界层网格参数设置

3）点击体网格划分按钮，如果不勾选多面体Polyhedron，那么PERA SIM Fluid将使用四面体网格来对模型划分网格；如果勾选多面体，则使用多面体网格来对模型划分网格，默认勾选边界层。网格划分结束后，软件自动隐藏几何模型树下的模型，仅显示网格模型树，划分网格的过程会自动在Message窗口显示出来。本案例网格划分花费了158s，如图7所示。

图7  网格划分

4）去除模型对应的勾选，可隐藏其网格，图8为本案例模型的切面网格及局部放大图。

图9为冷板内水体区域的网格分布；图10为冷板表面及进出口的网格分布。可以看出，PERA SIM Fluid可以清楚地对流体的边界层进行网格划分。

图8  切面网格及局部放大图

图9  水体区域的网格展示

图10 冷板表面的网格分布

5）点击网格质量Quality，可以对划分的网格进行不同标准的Check。PERA SIM Fluid具有多种网格质量的检查和评价标准，其可以检查网格正交性、网格扭曲度、网格质量、网格体积、网格距离、网格长宽比等网格质量标准，如图11所示。可以看出，本案例划分的网格完全满足常规通用流体求解器的计算要求。

图11  网格质量检查及网格报告

三、CFD求解计算

在PERA SIM Fluid软件面板中，点击Setup或者Analysis，可以对CFD计算的参数进行设置。简要的步骤如下：

1）在Models下打开能量方程，在Viscous下选择SST k-omega湍流模型；

2）在材料模型书下选择或者新建流体材料water；

3）在Cell zone conditions下设置不同体的类型及材料；

4）在Boundary Conditions下设置不同的边界条件，对冷板上不同的热源输入热流密度，如图12所示；

图12  模型及边界条件设置

5）在Solution下设置不同的离散格式，在Controls下设置不同变量的迭代因子（保持默认设置）；

6）在Monitors下设置一个监控点；在Initialization下对CFD计算进行初始化，点击Apply应用；在Calculation下设置相应的迭代步数；点击主菜单中的Run按钮，如图13所示，即可启动求解器进行计算。

图13  求解计算的参数设置

7）在求解过程中，底部的Message窗口会跳出相应的残差数值、监控点数值，右侧会出现相应的残差曲线及监控点曲线，如图14所示。

图14  CFD计算的残差及监控点曲线

四、CFD后处理显示

将相同的参数输入ANSYS Fluent，并进行计算；然后将PERA SIM Fluid的计算结果与前者进行相比，对应的比较结果如图15所示（左图为ANSYS Fluent的计算结果，右图为PERA SIM Fluid的计算结果）。可以看出，冷板的最高温度相差0.18℃，水体的最高温度相差0.2℃，二者的计算结果极其接近，误差极小。

图15  Fluent.VS.PERASIM—1

为了进一步验证PERA SIM Fluid的计算结果，将冷板表面的热源温度进行比对，比较了计算的云图分布及热源平均温度，相应的比较结果如图16所示（左图为ANSYS Fluent的计算结果，右图为PERA SIM Fluid的计算结果）。可以看出，无论计算云图分布，还是面平均温度统计，PERA SIM Fluid的CFD结果与ANSYS Fluent相差很小。

图16  Fluent.VS.PERASIM—2

本案例PERA SIM Fluid计算的其他结果如图17所示，主要是展示了冷板背面的温度分布、切面的温度云图、压力云图、速度矢量图、迹线分布等等。

图17  CFD计算后处理显示

五、写在最后

本文基于安世亚太自主研发的高级通用流体CFD软件PERA SIM Fluid，对某逆变器使用的水冷板进行了CFD计算的全流程展示，详细讲解了PERA SIM Fluid的模型处理（抽取流场区域、建立边界等）、网格划分、求解设置及后处理显示的步骤及操作流程。

最后将PERA SIM Fluid的计算结果与ANSYS Fluent的计算结果进行对比，进一步验证了PERA SIM Fluid的计算精度。可以看出，PERA SIM Fluid将模型处理、网格划分、求解设置及后处理一体集成，其操作简洁、高效，非常适合流体工程师对各类工业品的热流特性进行求解验证。

首发：仿 真 xiuApp 作者：王永康