STAR-CCM自学教程2-流动与传热仿真10讲：翅片、芯片冷却、显卡、热交换机和车内乘客热舒适仿真

STAR-CCM 流动与传热仿真

热传递研究的是由介质中或介质之间的温度差导致的能量传递，采用的方法包括研究能量传递模式以及建立计算能量传递速率的公式。

热传递有三种不同模式：

l热传导

l热对流

l热辐射

热传导

l热传导是指内部能量通过中间空间内相邻颗粒（例如原子、分子、离子或电子）的相互作用从较高温度区域到较低温度区域的流动过程。 此流动过程可视为因颗粒之间的相互作用而导致能量从物质的能量较高颗粒传输至能量较低颗粒。

l所有形式的物质都会出现传导：固体、液体、气体和等离子体。 在固体中，热传导因分子在栅格中的振动和自由电子的扩散组合而成。 在气体和液体中，热传导因分子之间的碰撞及其在随机运动期间的扩散而产生。 由于原子之间相对紧密固定的空间关系，固体中的传导较大；而因原子之间的距离较大，流体和气体中传导性较差。

热传导定律也称为傅立叶定律，提供了计算局部热通量的方法。

q^′′=-k∇T

q^′′ [W/m^2 ]为局部热通量矢量, k[W/mK]为材料的导热率, ∇T[K/m]为温度梯度。

热对流

l对流热传递是指通过流体运动传递热能的过程。

l对流热传递包含两个机制：因分子随机运动而产生的能量传递（扩散）；因流体大规模整体运动而产生的能量传递（平流，即一群分子的集体运动）。

l固体的对流热传递需要通过流体的整体运动以及扩散来传递热。因分子随机运动产生的影响主要出现在流体速度较低的表面附近。在表面和流体之间的交界面处，流体速度为零（即：流体和表面之间不存在相对运动）且热传递仅通过扩散进行。

表面的对流热传递符合牛顿冷却定律：

q_s^′′=h(T_s-T_ref)

q_s^′′为局部表面热通量

h为局部对流传热系数

T_s为表面温度

T_ref为在表面上移动的流体的特征温度

热辐射

l热辐射是来自温度大于绝对零的所有物质的电磁波发射，并且表示热能到电磁能的转换。它由物质中导致电荷加速和偶极振荡的带电颗粒热运动生成。 会推动耦合电场和磁场的电动生成，导致热辐射发射。 

l对于大多数热传递应用，可以将热辐射视为非极化（多次反射和散射通常使极化效应无效）和不一致（波或光子通常为异相）。 由于传输的长度尺度通常远大于辐射波长，因此可以应用几何光学的限制描述（即波长接近零）：波被描述为在与射线方向的立体角关联的很小体积中传输能量的射线束。

斯特藩-玻尔兹曼定律给出了可从表面发出的最大辐射通量：

q_bb^′′=σT_S^4

q_bb^′′为局部表面热通量

T_S是表面温度

σ是斯特藩-玻尔兹曼常数

共轭传热

通过固体-流体交界面的流体和相邻固体之间的同步耦合热传递 

流体和固体之间的耦合热传递：

基于能量守恒，总热通量跨交界面是守恒的。在接触界面处，定义了两个边界，即流体区域的 Boundary0 和 固态区域的 Boundary1。

能量守恒可确保：

(q_0 ) ̇ (q_1 ) ̇=-S_u

(q_0 ) ̇是流体通过 Boundary0 的热通量

(q_1 ) ̇是离开 Boundary1 进入固体的热通量

S_u是交界面内可选的用户指定热源

流固耦合共轭传热案例

一、翅片共轭传热

二、多时间尺度共轭传热--稳态流体与瞬态固体耦合传热

三、瞬态多时间尺度共轭传热--时间步长不同的流体与固体耦合传热

四、显卡冷却

对复杂数量众多的零件进行共轭传热分析

五、同心圆柱自然对流

与试验数据进行对比验证传热计算的精度

六、芯片冷却

利用STAR-CCM 电子元件冷却工具对芯片建模、分网、计算一条龙完成

七、双流体热交换器

在不实际建模的情况下，对复杂换热器进行仿真

八、排气管壳体共轭传热

对薄壳零件进行共轭传热分析

九、车内乘客热舒适仿真

利用STAR-CCM 热舒适向导对车内乘客的热舒适性进行仿真

课程安排

第1节        流动与传热原理介绍

第2节        翅片共轭传热

第3节        多时间尺度共轭传热--稳态流体与瞬态固体耦合传热

第4节        瞬态多时间尺度共轭传热--时间步长不同的流体与固体耦合传热

第5节        显卡冷却

第6节     同心圆柱自然对流

第7节        芯片冷却

第8节        双流体热交换器

第9节       排气管壳体共轭传热

第10节        车内乘客热舒适仿真