大型工程CFD仿真--经历,体会与感悟(一)

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大型工程CFD仿真--经历,体会与感悟(一)

做了一次很复杂的工程问题的仿真。讲讲经历,谈谈体会。

前言

问题简述

一个典型的工程热管理模型,由内部热源(固体)导热介质(流体)散热组件(边界) 组成。内部热源产生的热量通过自然对流传递到导热介质,导热介质形成流动,通过翅片将热量散发出去。这种结构的模型涵盖了工程中至少60%-80%的情形,因为:

  1. 在电力高度发达的如今,电能是最常用的的能源。而有电就会有热源,典型的如焦耳热,(电池等的)化学反应热。

  2. 自然对流永远是工程热管理的第一选择,因为最便宜,不用附加组件。

  3. 翅片/肋片是扩展散热能力的常用选择,因为不用更改内部结构,只需在外部扩展散热结构,同时外部涉及到的主要也是自然对流。

而相应的,要做好这类问题的仿真,对应的要:

  1. 了解热源的发热规律

    • 焦耳热(如PCB),反应热(如电池)还是(能量转换的)耗散热(如电磁炮)?

    • 稳态热源(如电饭煲)还是瞬态热源(如激光)?

    • 热源(如电池)还是热源(如烤箱)?

    • 均匀热源(如微波炉)还是非均匀热源(如PCB)?

  2. 了解自然对流

    • 湍流还是层流

    • 重力作用 1

    • 材料密度温度的关系 1

  3. 了解翅片的结构

    • 内部有无流道?流道形状特点如何?

    • 散热片的结构要求如何?

    • 散热片的表面换热系数如何确定?外加流场还是设定换热系数

求解一个这样的热管理问题,首先对这些方面有所了解,逐个解决。如果你主要接触工程问题的话,或许你也能从中找到一些同感。

漫话CFD

如何求解一个CFD问题?首先要知道什么是CFD。我常戏称CFD Color <font color=#008000>Ful</font> Drawing ,对于很多人来说,CFD就是得到一张张花花绿绿的图,但除此之外呢? 我们常常又称CFD为仿真,又有何道理呢?

在我看来,CFD的本质求解微分方程

我们的世界由各式各样的自然规律所支配,而这些自然规律的数学表述绝大部分都是微分方程。一个物体,在一定的条件下,会怎么运动/变化?我们将这个物体的特性数据化,将条件数据化,代入微分方程,求出方程的解,再把解实体化为物体–这一过程就好像物体在真实世界里发生了变化一样,这就是仿真。(其实有点像解析几何,不知列位看官意下如何。

这样一说,简单点将,CFD软件其实就是个计算器,不过算的是微分方程。 一般来说,我们将CFD分为3个部分:前处理,计算,后处理。用计算器来类比,就相当于计算器的输入,计算,输出。一个计算器要得到正确的结果,该怎么办?在我看来,就是要做到:

  1. 输入要正确

  2. 按计算器的要求输入

  3. 计算器的计算程序值得信赖

对于绝大部分商业CFD软件来说,其计算程序都在黑盒里,第三点我们无法确保(当然,既然选择了商业软件,那就相信它,不然就别用),我们能做到的就是前两点。而这两点,其实都在于 前处理 之中。

说到这里,又不得不吐槽,现在CFD商用软件的功能越来越强大,门槛越来越低,但其实会搞CFD的人并没有变多。有人讲CFD奉为神祇,有人对CFD不屑一顾。其实CFD的结果对不对,关键在人。CFD就是个工具。CFD软件的使用简单,单要用好,很难,需要大量的专业知识。OK,吐槽完毕。

总而言之,就是一句话:成功的CFD,关键在于前处理

而事实也是如此。以我的经验,前处理,计算,后处理所耗费的的时间的比例为7:1:2。

其中种种细节,咱们结合本次仿真的经历,边聊边谈。