1.5 ANSYS Icepak機箱強迫風冷熱仿真

為了使讀者對ANSYS Icepak有感性的了解，了解使用ANSYS Icepak進行熱仿真的流程，下面給出一個簡單的電子機箱強迫風冷應用實例，以幫助讀者更好地了解ANSYS Icepak散熱模擬的步驟。本算例及計算結果可參考在線資源（請登陸“華信教育資源網”下載）。

1.5.1 實例介紹

某電子機箱，如圖1-26所示，包含1個軸流風機、1個散熱孔、5個熱源、機箱外殼，所有模型均采用ANSYS Icepak基于對象的自建模方式建立，各模型幾何及屬性參數如表1-3所示。由于本案例為強迫風冷，因此忽略機箱外殼與空氣的自然冷卻過程。

1.5.2 建立熱仿真模型

1．建立項目

啟動ANSYS Icepak軟件（雙擊桌面快捷方式或參考1.2.4節），在彈出的對話框中選擇New，新建項目，然后在New project面板下（最好設定ANSYS Icepak的工作目錄）輸入相應的Project名稱（注意：Icepak項目名稱中不能有中文、?和？等符號，最好是字母或數字），單擊Create，創建名為jixiang的項目，如圖1-27所示。

2．機箱的創建

雙擊模型樹下的Cabinet，在Geometry面板中，按照圖1-28所示輸入幾何參數，用以表示機箱系統的外殼，單擊Done，建立的Cabinet模型如圖1-28所示。由于本案例為強迫風冷散熱，因此忽略了機箱外殼與空氣的自然對流及輻射換熱，使用Icepak默認的Cabinet（Cabinet 6個面為絕熱的、壁面速度為0，是ANSYS Icepak中的計算區域）作為機箱的外殼。

3．軸流風機的創建

單擊自建模模型工具欄中的Fans，用于創建軸流風機，左側模型樹下自動出現風機圖標，如圖1-29所示。

雙擊模型樹下的風機圖標，打開其編輯窗口，在Geometry面板中，輸入如圖1-30所示的參數，包含風機方向面板Plane的選擇、風機中心點位置的設置、風機半徑的設置、風機形狀、二維/三維風機的選擇。

在Properties面板中，在Fan type中選擇Intake（鼓風機），在Fan flow下選擇Fixed，然后在Volumetric輸入0.00233（m3/s），表示風機為固定的體積流量，單擊Done，其他使用默認的設置。

4．散熱孔的創建

單擊模型工具欄的Grille，用于模擬各種類型的散熱孔，雙擊模型樹下的Grille圖標，在幾何面板中，輸入如圖1-31所示的參數，選擇Plane為Y-Z，輸入相應的尺寸坐標信息；在Properties屬性面板中，在Free area ratio中輸入0.8，表示此散熱孔的開孔率為0.8（開孔率表示空氣能流過的面積除以面板的面積），其他設置保持默認。

5．熱源的創建

在模型工具欄下單擊Plates，雙擊模型樹下出現的Plate圖標，打開其編輯窗口，在幾何面板中輸入圖1-32所示的幾何參數，包括選擇Plane為 Y-Z 及Plate的幾何尺寸坐標；在其屬性面板中，輸入圖1-32所示的參數，選擇Conducting thick（傳導厚板），輸入Thickness為0.008（m），輸入Total power為4（W），表示熱耗為4W；單擊Done，其他保持默認設置。

6．熱源的復制

選擇模型樹下的Plates，然后選擇復制命令, ANSYS Icepak會自動彈出復制面板，在Number of copies中輸入4，在Translate中，輸入X offset為50（mm），表示偏移50mm，其他保持默認，單擊Done, Icepak會對Plate進行復制，距離為50mm。

ANSYS Icepak圖形顯示區域會出現圖1-33所示的模型，單擊快捷工具欄中的熱耗統計，可統計整體模型的熱耗，如圖1-33所示，總熱耗為20W。

1.5.3 網格劃分

（1）單擊劃分網格圖標，打開劃分網格面板，在Mesh type中選擇Hexa unstructured（非結構化網格）, ANSYS Icepak會自動調整Max X size、Max Y size、Max Z size的數值（最大網格尺寸默認為計算區域Cabinet尺寸的1/20），保持其他選項為默認設置，單擊Generate Mesh，進行網格的劃分處理，劃分的網格數為18144，如圖1-34所示。

（2）單擊網格控制面板的Display，可對模型的體網格、面網格及系統的切面網格進行顯示，可以看出，非結構化網格對圓形的風機及規則的散熱孔、熱源具有很好的貼體性，即網格劃分不失真，如圖1-35所示。

選擇Cut plane，可對不同切面進行網格的顯示，如圖1-36所示。

（3）單擊網格劃分面板的Quality，可進行網格的質量檢查。ANSYS Icepak提供了多種網格質量檢查準則，單擊不同的準則，ANSYS Icepak的Message窗口會出現相應準則的數值范圍，以幫助判斷網格的好壞及查詢網格質量差的區域，如圖1-37所示。

1.5.4 求解計算設置

（1）打開Solution settings，雙擊Basic settings，保持默認的設置，默認Number of iterations（迭代步數）為100, Flow的殘差值為0.001, Energy的殘差值為1e-7。

單擊圖1-38所示面板中的Reset, ANSYS Icepak會自動計算此模型的雷諾數和貝克來數，以此判斷流態，在Message窗口中顯示流態信息，如圖1-39所示。本案例中的雷諾數為1170.33，貝克來數為829.189, Icepak判斷模型為層流。

（2）打開模型樹上部區域的Problem setup，雙擊Basic parameters，選擇Radiation為off，即關閉輻射換熱；保持默認的層流Laminar，不選擇Gravity vector，即忽略自然對流計算。

在Basic parameters面板中，單擊Defaults，可打開Default values面板，在其面板下可設置相應的環境溫度，查看ANSYS Icepak默認的材料屬性，保持所有的選擇為默認，然后單擊Accept，如圖1-40所示。

（3）設置溫度監控點。在模型樹下選擇plate.1，拖曳至Points下，默認監測plate.1中心點的溫度，用于設置溫度監控點。雙擊Points下的plate.1，可彈出Modify point面板，選擇相應的監控點坐標及監控變量，如圖1-41所示。設置不同變量的監控點，可用于判斷模型計算是否完全收斂。

（4）求解計算。單擊，打開計算面板，保持所有默認的設置，單擊Start solution, ANSYS Icepak開始計算，在計算過程中，ANSYS Icepak會自動彈出Fluent求解器、殘差窗口、溫度監控點窗口，如圖1-42所示。

可以看出，求解在第54步時計算收斂，溫度的監控點平穩。為了進一步驗證計算是否收斂，可單擊Report→Solution overview→Create，在彈出的面板中，選擇jixiang00，單擊Okay。AN-SYS Icepak軟件會自動統計出進出口的空氣流量差值，本案例為-1.7e-8m3/s，誤差很小，計算完全收斂，如圖1-43所示。

1.5.5 后處理顯示

（1）單擊Plane cut，打開切面的后處理面板，按照如圖1-44所示進行設置，顯示切面的溫度分布：在Set position中選擇Z plane through center（表示切過Z方向中心位置的面），選擇Show contours，單擊其右側的Parameters，打開參數控制面板，在Number中輸入120，在Cal-culated中單擊下拉菜單，選擇This object，其他選項保持默認設置，單擊Done，可顯示此切面的溫度云圖分布。

可以看出，整個切面的溫度分布不均勻，左側的溫度較高，右側溫度較低，5個熱源的溫度分布不均勻。

同樣，選擇Show vectors，單擊Parameters，打開控制面板，在Uniform中輸入10000，在Calculated中選擇This object，其他保持默認設置，分別單擊Apply、Done，可顯示此切面的速度矢量分布，如圖1-45所示。

可以看出，機箱軸流風機上側空間包含明顯的渦流區域，此渦流區域導致很少的冷空氣進入左側空間，而大部分冷風從機箱的右側區域流出。良好的熱設計應該消除渦流區域，消除氣流短路的現象。

（2）單擊Object face，打開Object face（體后處理）面板，在Object中，單擊下拉菜單，選擇風扇object fan.1，選擇Show particle traces，單擊Parameters，在控制面板中輸入Unifrom為200，在Calculated中選擇This object，單擊Apply，可顯示200個失重粒子的跡線分布，如圖1-46所示。

同樣，選擇Object face面板下的Show contours，表示顯示變量的云圖分布；在Object中單擊下拉菜單，選擇所有的熱源，單擊Show contours右側的Parameters，在Calculated中選擇This object，保持其他默認的設置，單擊Done，即可顯示5個熱源的溫度分布，如圖1-47所示。

讀者練習：

（1）將本案例中的風機Type修改為Exhaust，其他設置不變，單擊Solve面板，重新進行計算，比較Exhaust和Intake的區別以及對系統散熱的影響。經過計算，可以發現，與使用Intake相比，使用Exhaust抽風風機可以降低熱源的溫度，同時消除機箱系統內的渦流區域。

（2）讀者可自行考慮多種方案，優化本案例中的流道，將機箱系統中的渦流區域消除，如在風機進口處增加導入板、優化風機的位置等方案。