高級通用流體CFD軟件PERASIM.Fluid對水冷板進行熱仿真CFD計算

導讀：本文基于安世亞太公司自主研發(fā)的高級通用流體CFD軟件PERASIM.Fluid，對某逆變器所用的水冷板進行熱仿真CFD計算（包括模型處理、網(wǎng)格劃分、求解設置及后處理顯示），誠邀廣大國產(chǎn)軟件開發(fā)者來仿真秀平臺分享國產(chǎn)軟件研發(fā)最新進展和應用場景及價值。

具體的操作步驟如下：

一、模型處理

1）導入模型

PERASIM.Fluid可以導入市面上主流的多種數(shù)據(jù)格式的CAD模型，如圖1所示；

將水冷板的CAD模型導入后，PERASIM.Fluid自動根據(jù)模型本身的幾何特征，形成點、邊、面特征，并對不同的面賦予不同的顏色，面的顏色與其名字所顯示的顏色完全一致，非常方便用戶對模型進行檢查；如圖2所示。用戶可以在模型樹下點擊勾選以隱藏/顯示對應的特征。

圖1幾何導入接口

圖2 導入水冷板模型

2）建立、封閉冷板進出口邊界

PERASIM.Fluid提供了多樣化的前處理工具；對于此水冷板的CFD仿真計算而言，需要建立冷板進出口邊界，并抽取其內(nèi)部的流體空間模型，以建立共軛傳熱數(shù)值計算的完整流體模型。點擊主菜單的幾何面板，設置選擇模式為選擇邊，分別選擇進出口邊，點擊創(chuàng)建面按鈕，即可建立邊界面模型。

選擇水冷板的入口面模型，鼠標右鍵菜單中選擇“Move to Group移動到組”，或者點擊主菜單的移動到組命令，在左側的屬性面板中輸入新的名稱in，點擊移動，完成進口邊界的建立。同理將另一側的面模型命名為out，如圖3所示。

圖3 命名進出口邊界

3）抽取水冷板的內(nèi)部流體空間

PERASIM.Fluid的快速修復功能，用于縫合模型中的容差間隙、查看模型中干涉交叉的面、補洞等修復功能；其識別體功能，用于在幾何拓撲關系的基礎上自動尋找封閉的體積空間，用于流體網(wǎng)格的劃分。先點擊快速修復、再點擊識別體命令，PERASIM.Fluid將在前述模型的基礎上，抽取控制水冷板內(nèi)部的流體空間區(qū)域。

在模型樹下，選擇冷板表面的5個體熱源模型，點擊右鍵，選擇“Delete Group andContents”），將這些體熱源刪除。

選擇模型樹下冷板表面的不同面，點擊右鍵，可以對其進行重命名；以Share命名的面表示不同體之間的共享面，用于共軛換熱耦合計算，如圖4所示。

圖4 抽取冷板內(nèi)部流體模型

二、網(wǎng)格劃分及檢查

PERASIM.Fluid擁有非常豐富的網(wǎng)格控制技術，既可以對網(wǎng)格參數(shù)進行全局設置，也可以進行局部設置；另外，可以對固體表面附近的流體進行邊界層加密，也支持對局部空間進行網(wǎng)格細化。

1）點擊全局圖標，設置網(wǎng)格的最大尺寸為10毫米，最小尺寸為1毫米；網(wǎng)格增長率默認為1.2。

圖5 全局網(wǎng)格參數(shù)設置

2）對于CFD流體計算而言，為了更好捕捉壁面附近的變量梯度，通常需要對流體空間近壁面處劃分邊界層網(wǎng)格。點擊邊界層圖標，選擇Volume7water，選擇Volume7water-Share_B3.5_S，設置邊界層選項為打開，輸入層數(shù)為3，第一層層高為0.5毫米，增長率1.25；如圖6所示；未被進行特殊設置的模型，其仍然使用全局網(wǎng)格的參數(shù)進行網(wǎng)格劃分。

圖6 邊界層網(wǎng)格參數(shù)設置

3）點擊體網(wǎng)格劃分按鈕，如果不勾選多面體Polyhedron，那么PERASIM.Fluid將使用四面體網(wǎng)格來對模型劃分網(wǎng)格；如果勾選多面體，則使用多面體網(wǎng)格來對模型劃分網(wǎng)格；默認勾選邊界層；網(wǎng)格劃分結束后，軟件自動隱藏幾何模型樹下的模型，僅顯示網(wǎng)格模型樹，劃分網(wǎng)格的過程會自動在Message窗口顯示出來。本案例網(wǎng)格劃分花費了158s；如圖7所示。

圖7 網(wǎng)格劃分

4）去除模型對應的勾選，可隱藏其網(wǎng)格；圖8為本案例模型的切面網(wǎng)格及局部放大圖；

圖9為冷板內(nèi)水體區(qū)域的網(wǎng)格分布；圖10為冷板表面及進出口的網(wǎng)格分布；可以看出，PERASIM.Fluid可以清楚地對流體的邊界層進行網(wǎng)格劃分。

圖8 切面網(wǎng)格及局部放大圖

圖9 水體區(qū)域的網(wǎng)格展示

圖10 冷板表面的網(wǎng)格分布

5）點擊網(wǎng)格質(zhì)量Quality，可以對劃分的網(wǎng)格進行不同標準的Check；PERASIM.Fluid具有多種網(wǎng)格質(zhì)量的檢查和評價標準；其可以檢查網(wǎng)格正交性、網(wǎng)格扭曲度、網(wǎng)格質(zhì)量、網(wǎng)格體積、網(wǎng)格距離、網(wǎng)格長寬比等網(wǎng)格質(zhì)量標準，如圖11所示；可以看出，本案例劃分的網(wǎng)格完全滿足常規(guī)通用流體求解器的計算要求。

圖11 網(wǎng)格質(zhì)量檢查及網(wǎng)格報告

三、CFD求解計算

在PERASIM.Fluid軟件面板中，點擊Setup或者Analysis，可以對CFD計算的參數(shù)進行設置；簡要的步驟如下： 1）在Models下打開能量方程，在Viscous下選擇SST k-omega湍流模型； 2）在材料模型書下選擇或者新建流體材料water； 3）在Cell zone conditions下設置不同體的類型及材料； 4）在Boundary Conditions下設置不同的邊界條件，對冷板上不同的熱源輸入熱流密度，如圖12所示； ?

圖12 模型及邊界條件設置

5）在Solution下設置不同的離散格式，在Controls下設置不同變量的迭代因子（保持默認設置）； 6）在Monitors下設置一個監(jiān)控點；在Initialization下對CFD計算進行初始化，點擊Apply應用；在Calculation下設置相應的迭代步數(shù)；點擊主菜單中的Run按鈕，如圖13所示，即可啟動求解器進行計算。

圖13 求解計算的參數(shù)設置

7）在求解過程中，底部的Message窗口會跳出相應的殘差數(shù)值、監(jiān)控點數(shù)值，右側會出現(xiàn)相應的殘差曲線及監(jiān)控點曲線，如圖14所示。

圖14 CFD計算的殘差及監(jiān)控點曲線

四、CFD后處理顯示

將相同的參數(shù)輸入ANSYS Fluent，并進行計算；然后將PERASIM.Fluid的計算結果與前者進行相比，對應的比較結果如圖15所示（左圖為ANSYS Fluent的計算結果，右圖為PERASIM.Fluid的計算結果）；可以看出，冷板的最高溫度相差0.18℃；水體的最高溫度相差0.2℃；二者的計算結果極其接近，誤差極小。

圖15 Fluent.VS.PERASIM—1

為了進一步驗證PERASIM.Fluid的計算結果，將冷板表面的熱源溫度進行比對，比較了計算的云圖分布及熱源平均溫度，相應的比較結果如圖16所示（左圖為ANSYS Fluent的計算結果，右圖為PERASIM.Fluid的計算結果）；可以看出，無論計算云圖分布，還是面平均溫度統(tǒng)計，PERASIM.Fluid的CFD結果與ANSYS Fluent相差很小。

圖16 Fluent.VS.PERASIM—2

本案例PERASIM.Fluid計算的其他結果如圖17所示，主要是展示了冷板背面的溫度分布、切面的溫度云圖、壓力云圖、速度矢量圖、跡線分布等等。

圖17 CFD計算后處理顯示

五、寫在最后

本文基于安世亞太自主研發(fā)的高級通用流體CFD軟件PERASIM.Fluid，對某逆變器使用的水冷板進行了CFD計算的全流程展示，詳細講解了PERASIM.Fluid的模型處理（抽取流場區(qū)域、建立邊界等）、網(wǎng)格劃分、求解設置及后處理顯示的步驟及操作流程。

最后將PERASIM.Fluid的計算結果與ANSYS Fluent的計算結果進行對比，進一步驗證了PERASIM.Fluid的計算精度；可以看出，PERASIM.Fluid將模型處理、網(wǎng)格劃分、求解設置及后處理一體集成，其操作簡潔、高效，非常適合流體工程師對各類工業(yè)品的熱流特性進行求解驗證。

審核編輯：劉清