導讀：本文基于安世亞太公司自主研發的高級通用流體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、網格劃分、求解設置及后處理顯示），誠邀廣大國產軟件開發者來仿真秀平臺分享國產軟件研發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據格式的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，并抽取其內部的流體空間模型，以建立共軛傳熱數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，抽取控制水冷板內部的流體空間區域。

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 抽取冷板內部流體模型

二、網格劃分及檢查

PERASIM.Fluid擁有非常豐富的網格控制技術，既可以對網格參數進行全局設置，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格細化。

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

圖5 全局網格參數設置

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，其仍然使用全局網格的參數進行網格劃分。

圖6 邊界層網格參數設置

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

圖7 網格劃分

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

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

圖8 切面網格及局部放大圖

圖9 水體區域的網格展示

圖10 冷板表面的網格分布

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

圖11 網格質量檢查及網格報告

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；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 求解計算的參數設置

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

圖14 CFD計算的殘差及監控點曲線

四、CFD后處理顯示

將相同的參數輸入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（抽取流場區域、建立邊界等）、網格劃分、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品的熱流特性進行求解驗證。

審核編輯：劉清