1.5 ANSYS Icepak机箱强迫风冷热仿真

为了使读者对ANSYS Icepak有感性的了解，了解使用ANSYS Icepak进行热仿真的流程，下面给出一个简单的电子机箱强迫风冷应用实例，以帮助读者更好地了解ANSYS Icepak散热模拟的步骤。本算例及计算结果可参考在线资源（请登陆“华信教育资源网”下载）。

1.5.1 实例介绍

某电子机箱，如图1-26所示，包含1个轴流风机、1个散热孔、5个热源、机箱外壳，所有模型均采用ANSYS Icepak基于对象的自建模方式建立，各模型几何及属性参数如表1-3所示。由于本案例为强迫风冷，因此忽略机箱外壳与空气的自然冷却过程。

1.5.2 建立热仿真模型

1．建立项目

启动ANSYS Icepak软件（双击桌面快捷方式或参考1.2.4节），在弹出的对话框中选择New，新建项目，然后在New project面板下（最好设定ANSYS Icepak的工作目录）输入相应的Project名称（注意：Icepak项目名称中不能有中文、∗和？等符号，最好是字母或数字），单击Create，创建名为jixiang的项目，如图1-27所示。

2．机箱的创建

双击模型树下的Cabinet，在Geometry面板中，按照图1-28所示输入几何参数，用以表示机箱系统的外壳，单击Done，建立的Cabinet模型如图1-28所示。由于本案例为强迫风冷散热，因此忽略了机箱外壳与空气的自然对流及辐射换热，使用Icepak默认的Cabinet（Cabinet 6个面为绝热的、壁面速度为0，是ANSYS Icepak中的计算区域）作为机箱的外壳。

3．轴流风机的创建

单击自建模模型工具栏中的Fans，用于创建轴流风机，左侧模型树下自动出现风机图标，如图1-29所示。

双击模型树下的风机图标，打开其编辑窗口，在Geometry面板中，输入如图1-30所示的参数，包含风机方向面板Plane的选择、风机中心点位置的设置、风机半径的设置、风机形状、二维/三维风机的选择。

在Properties面板中，在Fan type中选择Intake（鼓风机），在Fan flow下选择Fixed，然后在Volumetric输入0.00233（m3/s），表示风机为固定的体积流量，单击Done，其他使用默认的设置。

4．散热孔的创建

单击模型工具栏的Grille，用于模拟各种类型的散热孔，双击模型树下的Grille图标，在几何面板中，输入如图1-31所示的参数，选择Plane为Y-Z，输入相应的尺寸坐标信息；在Properties属性面板中，在Free area ratio中输入0.8，表示此散热孔的开孔率为0.8（开孔率表示空气能流过的面积除以面板的面积），其他设置保持默认。

5．热源的创建

在模型工具栏下单击Plates，双击模型树下出现的Plate图标，打开其编辑窗口，在几何面板中输入图1-32所示的几何参数，包括选择Plane为 Y-Z 及Plate的几何尺寸坐标；在其属性面板中，输入图1-32所示的参数，选择Conducting thick（传导厚板），输入Thickness为0.008（m），输入Total power为4（W），表示热耗为4W；单击Done，其他保持默认设置。

6．热源的复制

选择模型树下的Plates，然后选择复制命令, ANSYS Icepak会自动弹出复制面板，在Number of copies中输入4，在Translate中，输入X offset为50（mm），表示偏移50mm，其他保持默认，单击Done, Icepak会对Plate进行复制，距离为50mm。

ANSYS Icepak图形显示区域会出现图1-33所示的模型，单击快捷工具栏中的热耗统计，可统计整体模型的热耗，如图1-33所示，总热耗为20W。

1.5.3 网格划分

（1）单击划分网格图标，打开划分网格面板，在Mesh type中选择Hexa unstructured（非结构化网格）, ANSYS Icepak会自动调整Max X size、Max Y size、Max Z size的数值（最大网格尺寸默认为计算区域Cabinet尺寸的1/20），保持其他选项为默认设置，单击Generate Mesh，进行网格的划分处理，划分的网格数为18144，如图1-34所示。

（2）单击网格控制面板的Display，可对模型的体网格、面网格及系统的切面网格进行显示，可以看出，非结构化网格对圆形的风机及规则的散热孔、热源具有很好的贴体性，即网格划分不失真，如图1-35所示。

选择Cut plane，可对不同切面进行网格的显示，如图1-36所示。

（3）单击网格划分面板的Quality，可进行网格的质量检查。ANSYS Icepak提供了多种网格质量检查准则，单击不同的准则，ANSYS Icepak的Message窗口会出现相应准则的数值范围，以帮助判断网格的好坏及查询网格质量差的区域，如图1-37所示。

1.5.4 求解计算设置

（1）打开Solution settings，双击Basic settings，保持默认的设置，默认Number of iterations（迭代步数）为100, Flow的残差值为0.001, Energy的残差值为1e-7。

单击图1-38所示面板中的Reset, ANSYS Icepak会自动计算此模型的雷诺数和贝克来数，以此判断流态，在Message窗口中显示流态信息，如图1-39所示。本案例中的雷诺数为1170.33，贝克来数为829.189, Icepak判断模型为层流。

（2）打开模型树上部区域的Problem setup，双击Basic parameters，选择Radiation为off，即关闭辐射换热；保持默认的层流Laminar，不选择Gravity vector，即忽略自然对流计算。

在Basic parameters面板中，单击Defaults，可打开Default values面板，在其面板下可设置相应的环境温度，查看ANSYS Icepak默认的材料属性，保持所有的选择为默认，然后单击Accept，如图1-40所示。

（3）设置温度监控点。在模型树下选择plate.1，拖曳至Points下，默认监测plate.1中心点的温度，用于设置温度监控点。双击Points下的plate.1，可弹出Modify point面板，选择相应的监控点坐标及监控变量，如图1-41所示。设置不同变量的监控点，可用于判断模型计算是否完全收敛。

（4）求解计算。单击，打开计算面板，保持所有默认的设置，单击Start solution, ANSYS Icepak开始计算，在计算过程中，ANSYS Icepak会自动弹出Fluent求解器、残差窗口、温度监控点窗口，如图1-42所示。

可以看出，求解在第54步时计算收敛，温度的监控点平稳。为了进一步验证计算是否收敛，可单击Report→Solution overview→Create，在弹出的面板中，选择jixiang00，单击Okay。AN-SYS Icepak软件会自动统计出进出口的空气流量差值，本案例为-1.7e-8m3/s，误差很小，计算完全收敛，如图1-43所示。

1.5.5 后处理显示

（1）单击Plane cut，打开切面的后处理面板，按照如图1-44所示进行设置，显示切面的温度分布：在Set position中选择Z plane through center（表示切过Z方向中心位置的面），选择Show contours，单击其右侧的Parameters，打开参数控制面板，在Number中输入120，在Cal-culated中单击下拉菜单，选择This object，其他选项保持默认设置，单击Done，可显示此切面的温度云图分布。

可以看出，整个切面的温度分布不均匀，左侧的温度较高，右侧温度较低，5个热源的温度分布不均匀。

同样，选择Show vectors，单击Parameters，打开控制面板，在Uniform中输入10000，在Calculated中选择This object，其他保持默认设置，分别单击Apply、Done，可显示此切面的速度矢量分布，如图1-45所示。

可以看出，机箱轴流风机上侧空间包含明显的涡流区域，此涡流区域导致很少的冷空气进入左侧空间，而大部分冷风从机箱的右侧区域流出。良好的热设计应该消除涡流区域，消除气流短路的现象。

（2）单击Object face，打开Object face（体后处理）面板，在Object中，单击下拉菜单，选择风扇object fan.1，选择Show particle traces，单击Parameters，在控制面板中输入Unifrom为200，在Calculated中选择This object，单击Apply，可显示200个失重粒子的迹线分布，如图1-46所示。

同样，选择Object face面板下的Show contours，表示显示变量的云图分布；在Object中单击下拉菜单，选择所有的热源，单击Show contours右侧的Parameters，在Calculated中选择This object，保持其他默认的设置，单击Done，即可显示5个热源的温度分布，如图1-47所示。

读者练习：

（1）将本案例中的风机Type修改为Exhaust，其他设置不变，单击Solve面板，重新进行计算，比较Exhaust和Intake的区别以及对系统散热的影响。经过计算，可以发现，与使用Intake相比，使用Exhaust抽风风机可以降低热源的温度，同时消除机箱系统内的涡流区域。

（2）读者可自行考虑多种方案，优化本案例中的流道，将机箱系统中的涡流区域消除，如在风机进口处增加导入板、优化风机的位置等方案。