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问题描述
机箱内PCB板上的芯片是一个75W的热源，其上连接一个散热翅片帮助其散热，机箱竖直放置，周边封闭，上下通风，环境温度为45℃，三种固体材料的材料属性如图中所示，现对机箱内部的散热情况进行分析_
✦ 机箱竖直放置，主要是说明方向，因为自然对流需要考虑重力问题，并不是指放在地上，机箱底部和顶部都是可以通风的，或者可以理解为机箱竖直悬挂；
01-模型介绍
模型前处理不做过多介绍，采用六面体网格，模型中包含一个流体区域，三个固体区域，在生成网格时使其完全共节点，本模型主要依赖于自然对流进行散热，底部采用压力进口边界条件(Pressure inlet)，顶部采用压力出口边界条件(Pressure outlet)，考虑重力_
02-Fluent设置及解析
模型在Fluent内的具体设置流程如下：
▊ General设置
模型导入后进行Scale设置，Check网格质量，进行相关设置并开启重力_
▊ 模型选择
在涉及关于热问题的时候需要开启能量方程，本案例中的自然对流为层流，关于自然对流是层流还是湍流，在仿真之前通过计算瑞利数Ra或雷诺数Re进行判定_
问：什么是自然对流呢？
答：当流体加热后密度发生时，在重力驱动下由密度差引起的流动，就是自然对流。
▊ 材料设定
关于流体，材料为空气，在计算自然对流时可以选择incompressible-ideal-gas或者boussinesq(布辛涅司克)_
关于固体材料的设置，在Fluent Database中有铜的材料参数Copper(Cu)，可以直接复制出来，对于芯片和PCB板的材料，材料库中是没有的，可以在Copper(Cu)的基础上更改参数然后创建，修改时可能需要删除Copper(Cu)原有的化学式，具体参数如图中所示_
[注意]
✦ incompressible-ideal-gas为不可压缩理想气体，其密度与温度成反比，与压力无关，本案例中压力变化非常小，所以选择此项比较合适；
✦ 当温差较小时，密度也可以设置为Boussinesq，并设置密度为常数；
▊ 操作环境设置
可通过Physics_Solver_Operating Conditiones进入工作条件设置，设置Operating Pressure(通常被称为操作压力或参考压力)，开启重力并设置方向与大小，设置流体的工作密度_
[注意]
✦ 图中的Boussinesq Parameters默认即可，在流体选择Boussinesq时才会用到，本模型流体采用的是incompressible-ideal-gas(不可压缩理想气体)，需要设置Operating Density(工作密度)，即当前压力与温度下的气体密度，可自行尝试计算；
✦ 操作压力(即参考压力)一般设置为一个标准大气压即可，关于Fluent中各种压力的意义与彼此之间的关系后续再行分享，比如当地大气压、参考压力、表压、总压、相对总压、绝对压力、动压、静压等；
▊ 区域设置
Fluid(fluid)、solid_board(solid)、solid_heatsink(solid)本身并不发热，仅参与传热，双击打开分别选择各自的材料即可_
而芯片区域solid_heatsource(solid)不仅参与传热，本身还以75W的功率产生热量，需要勾选Source Terms(源项)并进行设置，通过Edit_增加一个源项，可通过自行计算后选择constant(定值)进行设置，或者通过输入函数表达式进行自动求解计算_
[注意]
✦ 在Fluent中源项设置的单位为[W/m^3]，即需要发热功率75W除以该发热源的体积，可通过测量体积后直接计算得到该值并选择constant(定值)填入该数值，本模型中最终计算的值为635000W/m^3；
✦ 通过输入函数表达式进行自动求解计算的方法为：
1、可以直接手动输入图中的函数，其中solid_heatsource为发热源即芯片区域所在Cell Zone的名称；
2、可将手动改写和通过右侧的Functions或Locations等插入函数相结合，通过右侧的Funcitions_Reduction_Volume可插入体积函数，通过Locations_Cell Zones_选择发热源即芯片区域所在Cell Zone并插入；
3、体积函数是支持多个区域计算的，本模型中只需要选择一个区域即可，所以需要手动删除体积函数中多余的逗号和点等；
✦ 通过函数计算的时候，函数输入完成后可点击右侧的刷新按钮以显示计算后的数值；
▊ 边界条件设置
设置压力入口边界条件(总表压为0Pa，温度为45℃)，压力出口边界条件(总表压为0Pa，温度为45℃)，Well(壁面)边界保持默认即可_
[注意]
✦ 可通过_Domain_Units_修改单位，本模型中的Tempture(温度)单位采用℃；
✦ 出口边界条件的温度意义为当出现回流时，回流流体的温度为45℃；
✦ Well边界采用默认设置即可，默认设置里包含了壁面对流体流动方面的信息，也包含了壁面对换热方面的信息，在篇尾解析部分会详细介绍；
▊ 设置监测
在散热翅片附近位置创建一个点，大概位置如图中所示，并对该点的平均温度进行监测，以便于观察求解计算的收敛情况，具体操作如图中所示_
同时可通过_Volume Report_Max_进行全局最高温度的监测_
[注意]
✦ 关于点的创建也可以通过_Domain_Surface_Create_Point来完成；
▊ Methods设置
Pressure项选择Body Force Weighted(即体积力加权的离散格式)，其他设置如图中所示，在计算自然对流时Pressure只能选择Body Force Weighted或PRESTO！，选择其他选项会在某些壁面位置出现非物理解的现象_
▊ 残差设置
可依据具体情况设置残差，以防止计算结束过早_
▊ 初始化
模型初始化_Initialization_Hybird Initialization_
▊ 计算求解
默认是采用伪瞬态的方法，利用自动时间步长来调整求解进度，如上图中左侧所示，为加快求解速度，可自行设置时间步长，具体的时间步长设置如上图中右侧所示，其中固体部分仅计算传热，线性较强，时间步长可以设置较大，流体部分还需要计算流动，时间步长设置较小，两者可以设置约千倍的关系，设置迭代步数并求解计算_
▊ 疑难解析
问：相较于冷场的流动仿真，涉及到热的问题时主要区别在哪？
✦ 涉及到热的问题时首先一点是需要开启能量方程；
✦ 进出口边界在设置时多了一些关于热方面的信息，通过Thermal模块来设置温度；
✦ 在涉及到热问题时，模型中可能会出现固体区域，比如本模型中的芯片、散热翅片等，还将芯片所在区域设置成了热源；
✦ 在流体与固体区域之间的壁面，或者两侧有流体的壁面，在读取网格文件时，Fluent会自动创建well和well_shadow，这种well称为内部边界，其Thermal热边界条件中有Heat Flux(恒定热通量)、Temperature(温度)、Couple(耦合)，默认情况下，Coupled(耦合)边界条件会自动平衡well两侧的能量；
✦ 当壁面只有一边存在固体域或流体域时，这种well称为外部边界，当壁面为外部边界时，其Thermal热边界条件有Heat Flux(恒定热通量)、Temperature(温度)、Convection(对流)、Radiation(辐射)、Mixed(混合)、Via System Coupling(通过系统耦合)、Via Mapped Interface(通过映射交界面)；
03-讨论
✦ 本篇章简要介绍了Fluent关于电子芯片散热的案例；
✦ 对于流场的分析，好多同学都是从冷场开始的，在涉及到热问题的时候经常会有些懵，本篇章借助电子芯片散热这一相对简单的案例引入关于热的部分元素；
✦ 后期会陆续分享关于Fluent散热方面的案例或心得，有需要的小伙伴可以留意一下；
✦ 模型文件分享！[仅供学习交流使用]
https://pan.baidu.com/s/1aZPx5LUeRzyImf7v6YzxOg
提取码：z6j8
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