基于Fluent的三周期极小曲面结构Gyroid翅片对流换热性能模拟

       极小曲面结构根据采用的方程不同，其曲面形状各异，换热能力也有所不同。本文针对常见的Gyroid结构，分析其流动换热特性。极小曲面结构相比于传统翅片流动自由度更高，比表面积也更大，因而换热能力提升，但压降会增大，这种结构显著的特征就是牺牲压降提升换热效率。

一、问题描述

     本文主要是对文献《Analysis on the convective heat transfer process and performance evaluation of Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) based on Diamond, Gyroid and Iwp》中的问题进行复现，梳理形成一套针对三周期极小曲面结构（Triply Periodic Minimal Surface，TPMS）的物理模型构建、网格划分以及数值求解分析的方法。

论文doi：https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123642

论文中的问题为：gyroid结构的翅片底部为恒温热源，使用空气流经该翅片散热，评估其换热性能。如下图1所示。

图1 物理模型及问题描述

二、模型构建

      本文中的TPMS有多中建模方法，本文使用Ntopology构建gyroid结构，之后导入SolidWorks添加底部平板壁面，然后使用spaceclaim抽取流体域，最终形成图1的物理模型。为了避免额外壁面，在spaceclaim中对进出口及壁面进行命名。

     本文计算域包括固体翅片及流体域两部分，如图2所示。

     由于没有外围流道的实体结构，只有翅片结构，因此抽取流体时使用准备---外壳功能首先生成包覆的外壳结构，再使用设计---分割主体切除多余的区域，最终形成流体域。

切出流体域后，对进出口和壁面进行命名，完毕后保存，得到.scdoc文件。这就是模型文件。

三、网格划分

本文使用fluent meshing划分三维网格。

1、首先打开fluent meshing，选择watertight geometry。

2、点击import geometry，选择刚才保存的scdoc文件。

3、更改面网格控制参数，最小最大尺寸根据模型和问题进行确定，增长率一般默认。

4、选择有固体域和流体域，点击describe geometry

5、点击apply share topology，如果选择interface connect，画网格时所有的面全部独立存在，否则除了之前命名的面，其余剩下的面将合并为一个面。

6、设置边界条件

7、设置边界层，论文中有推荐，也可根据电脑条件设置，有时会报错，可调整网格高度

8、生成网格。之后保存问msh文件即可。

四、求解计算

本文使用fluent求解。

1、导入网格，并检查尺寸单位是否正确。

2、开启能量方程和湍流模型

3、更改物性参数，包括空气和铝合金参数，详细物性论文中有提供。

4、设置边界条件，速度入口由体积流量计算得到速度，温度设为20℃。出口温outflow。加热面为恒壁温，100℃。其余壁面设为绝热壁面。

5、选择求解算法，coupled对流股耦合问题收敛性好，残差设为10^-6。

6、初始化并开始计算

7、结果处理及与文献的对比。

更改入口流速，得到最终结果，如下图，与文献实验对比，误差在11%以内。

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