妙用Icepak特殊流体功能模拟局部真空

此文为本人原创，首发于我的个人公众号：赢仿设计。

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1.前言

Icepak中在太空环境的真空建模已有大量教程。太空环境因为不考虑重力，在整个求解域内不需计算速度场。但在某些应用场景中(地面环境)，例如真空电力开关柜、行波管、一个内部真空的机箱被空气包围，欲考察机箱与外部空气的热交换。此时整个求解域内要计算速度场，但同时机箱内部的局部真空又必须排除。结合仿真案例，本文介绍了Icepak的3项特殊功能(设置)(带壳流体块，静止流体块，求解时伪瞬态)，完美解决了局部真空的建模问题。

2.带壳fluid block

Icepak的fluid block可以对单独的面设置属性如图1，右侧的resistance如果选择thickness则可以设置面的固体材料，形成“带壳”fluid block，作用等同enclosure。

                                                                              图1

建立模型如图2，红色方块为带壳流体块，流体材料、6个面的固体材料、表面材料均为默认值，内部小方块为铝块(默认材料)，发热量60W。计算域-Y面为opening速度入口0.3m/s，+Y面为opening压力出口(选中static pressure)，其余4个面均为external conditions为temperature的wall。环境温度20度，考虑辐射(DO模型)，重力方向-X。

                                                                                      图2

  求解获得铝块温度场如图3，垂直于Z轴的总体速度剖面如图4，垂直于Z轴的铝块周边速度场如图5。

                                                                                 图3

                                                                                图4

                                                                                 图5

把流体块替换为同样尺寸、同样壁厚的enclosure如图6，重新计算后铝块温度场如图7，垂直于Z轴的总体速度剖面如图8，垂直于Z轴的铝块周边速度场如图9。可见与流体块的结果差别极小。

                                                                               图6 

                                                                                 图7

                                                                                图8

                                                                                    图9

3.静止流体

欲在计算域内局部空间设置真空，可先按局部空间尺寸建fluid block，再如图10底部设置为静止流体：选择fixed velocity，3个方向速度均为0。流体材料需自建如图11，设置极小的热导率和热扩散率。此静止流体块的优先级应低于内部的元件。Problem setup面板内仍然选中计算速度场，默认流体不变。

                                                                                图10

                                                                                 图11

4.规则外形局部真空分析实例

以图6的模型为基础，以enclosure内壁为边界建立静止流体块(材料选择图11)，因为是真空状态，enclosure内部已无对流换热，关闭重力，其余设置不变。求解后，总体速度剖面如图12，可见enclosure内部确实没有气流(即使打开重力，计算结果仍然不变，自然对流仍然没有发生)。铝块的温度场如图13，注意由于没有对流，Z向表面的温度分布不同于图7。但在总体温度剖面图14中，铝块与enclosure间的空间存在温度梯度，根据真空热辐射原理，由于此处没有流体，空间温度应是环境温度。不论图11中热导率设置多么小，稳态求解时此温度梯度总是存在，因为在稳态时，求解时间假设为无穷大。

                                                                               图12

                                                                                 图13

                                                                               图14

                                                                                      图15

如图15，求解设置中，选中”使用压力基的耦合算法”选项(coupled pressure-velocity formualtion)，并选中伪瞬态(pseudo transient)和高阶项松弛因子(high order term relaxation)。重新计算后的温度剖面如图16，可见温度梯度已消除。

                                                                                图16

抑制图12中的enclosure和静止流体块，以enclosure外壁为边界建立带壳静止流体块如图17，设置6个面的辐射属性，壁厚和材料同enclosure，流体材料选择图11。求解后温度剖面如图18。

                                                                                  图17

                                                                                   图18

5.不规则外形局部真空分析实例

如图19，箱体为不规则外形，内部圆柱为热源。利用Design modeler导入几何后，先抑制圆柱，点击主菜单Tools下的Fill，生成箱体的内部空间，导入Icepak后建模如图20，设置内部空间元件的优先级低于热源圆柱，设为fluid block，材料设置如图11。网格划分如图21和图22，可见内部空间元件占据了壳体与圆柱间的空间。

                                                                                 图19

                                                                                  图20

                                                                                 图21

                                                                                 图22

圆柱施加热量20W，所有元件考虑辐射。求解设置从略。计算完成后速度场剖面如图23，可见壳体内部确实无气体流动，温度场剖面如图24，可见圆柱与壳体间的真空无温度梯度。

                                                                                  图23

                                                                                   图24