CFD专栏丨基于Inspire Fluid的隐式建模换热器设计和热仿真

基于增材制造的换热器

增材制造，即 3D 打印技术，是一种通过逐层堆叠材料的方式构建物体的制造方法。热交换器的设计通常是最大化表面积和最小化压降之间的平衡。晶格结构的使用被证明是增强传热从而提高热交换器效率的一种可能方法。由于体积相对较小、重量轻且热效率高，这些基于增材制造的换热器已在航空航天、电子设备等领域得到广泛应用。

► 增材制造换热器优势：

• 高比表面积换热：如基于极小曲面的隐式建模换热器，能增加冷热流体的接触面积，从而提高换热效率，传统换热器在有限的空间内难以达到同等的换热面积。
• 流场均匀性好：隐式建模的一些复杂结构能使流体在换热器内的流动更加均匀，减少流动死区和涡流现象，让热量传递更充分、高效，传统换热器可能存在流场不均匀，导致局部换热效率低的问题。
• 低热阻特性：其结构的光滑性和连通性等特点，使得热量传递过程中的热阻相对较小，能更快速地实现热量的传递和交换。

增材制造的换热器

显式建模 vs 隐式建模

显式建模

直接给出模型的具体结构、参数或数据，通过直接给出顶点坐标、多边形面片等几何元素的具体位置和连接关系来表示三维模型。

如下图的建模过程，第一步，先创建最基本的NURBS参数化曲面；第二步，由曲面组成一个最基本的体单元；第三步，阵列/复制体单元形成空间矩阵。当模型变得复杂，模型操作效率会显著降低。

显式建模过程

传统的CFD仿真流程，需要导入STL面网格，进行网格清理和布尔运算，再填充体网格。不仅前处理麻烦，对硬件的要求也随着模型的复杂度而急剧提高。

传统CFD建模的面网格

传统CFD建模的体网格

隐式建模

通过数学函数、方程或特定算法来间接定义模型。隐式函数可以看作是标量值的 3D 场，其中正值位于几何边界之外，负值位于几何边界内，创建一个等值面，该等值面通过标量值等于零的所有位置。

常数等值面的隐式建模

梯度控制的隐式建模

Field控制的隐式建模

Inspire Fluid特点

• 快速设计/分析工具，Inspire集成了固体力学，流体力学和多体动力学，参数优化等功能。
• 隐式建模和CFD前后处理统一在相同界面，无须导出STL。
• 基于FVM算法，全自动Voxel网格。
• 沉浸边界法(Immersed Boundary), 无须布尔运算提取流体域。
• 基于Nvidia GPU加速。

Inspire Fluid图形界面

如下图所示，这个Inspire模型由64 x 64 x 64个Gyroid（螺旋二十四面体）构成， Gyroid总数达到了26万多个，包含2千万多万个NURBS曲面，如果是用传统的显式建模方法将会非常庞大，而Inspire可以在笔记本上就达到完全顺滑的交互式操作。

Implicit Modeling支持不同的Lattice结构，也可以进行布尔，薄壁，阵列，光顺等等几何操作。

Inspire implicit modeling

Thickness

Sizing

Layout

Domain

Shelling

Blending

Filtering

Joining

Conform

Custom Cell

普通实体 vs 隐式建模

Inspire的仿真对象可以是隐式建模和普通模型的组合，并设置不同的分析类型。

CFD

固体FEA

Inspire隐式换热器建模步骤

双流体换热器的建模步骤如下：

1. 创建换热器芯
2. 冷侧入口挡板
3. 冷侧出口挡板
4. 热侧入口挡板
5. 热侧出口挡板
6. 换热器外壳

在Fluid仿真设置中，将换热器芯的固体区域设置为Embedded Solid，无须提取流体域。创建挡板的目的是区分内外侧的通道，使得冷热流体不掺混。

双流体换热器建模步骤

隐式换热器热仿真

隐式换热器的外轮廓可以是任意形状，以贴合壳体内壁，并支持布尔运算。

Inspire Fluid隐式建模换热器后处理

换热器-温度切面

换热器-流速切面

换热器-冷侧流线

换热器-热侧流线

换热器-表面温度

换热器压力降

冷侧温度收敛曲线（红色-出口，绿色-入口）

热侧温度收敛曲线（红色-入口，绿色-出口）

入口压力收敛曲线（红色-热侧，绿色-冷侧）

PCB板散热器-表面温度

单流体换热器，例如芯片上的换热器无须设计入/出口挡板区分内外侧。

PCB板散热器-切面风速

电子设备隐式换热器的设计

Inspire Fluid吸尘器模型

Inspire Fluid也可用于一般的管路内流场和传热计算，设计和仿真流程高度集成，满足产品快速迭代设计。

Inspire Fluid阀门建模演示模型

Inspire Fluid阀门后处理演示模型

总结

• 设计和仿真高度集成：Inspire Fluid直接在概念设计阶段进行流场分析，对于隐式建模无须导出STL网格，打破传统CAD→CFD的瓶颈。
• 参数化设计：支持对流体模型进行参数化定义，方便进行设计迭代和优化。例如在设计换热器时，可通过调整Lattice晶格的类型和尺寸参数，快速得到不同方案并进行对比分析。
• 探索和优化：Design Explorer工具根据用户设定的目标和边界条件，对流体结构进行优化，突破传统设计的限制，生成轻量化且高性能的流体部件。
• 多物理场耦合：考虑流体力学与固体力学的耦合作用，如设计出的散热器既有优良的换热性能，又保证结构强度的要求。

本期的基于Inspire Fluid的隐式建模换热器设计和热仿真分享就到这里啦，下一期我们将分享更多实用功能，敬请期待。

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