基于Fluent软件的CPU风扇流场的数值仿真开题报告

1. 研究目的与意义

科技的进步，带动着电子产品的功能越强，价格也越便宜，个人电脑的普及，已使得各项工作几乎都与电脑离不开关系。

在使用电脑方面，最重要的莫过于cpu的快速运算功能，但是速度高相对产生的温度就容易升高，噪音也大，为了能有效的排出热量，最有效的当属于电子散热风扇。

按照风扇功能的不同，种类分为许多。

2. 国内外研究现状分析

计算流体动力学（ＣＦＤ）是一种以流体为研究对象的数值模拟技术。

相对于实验流体动力学而言，它具有资金投入少、计算速度快、信息完备且不受模型尺寸限制等优点。

因此是研究流体动力学有力的工具。

3. 研究的基本内容与计划

cfd软件通常有三种功能，分别着重于前端处理(preprocessing)，计算和结果数据生成（computing and resulting）以及后处理（postprocessing）。前端处理通常要生成计算模型所必须的数据，包括建模、数据录入、生成网格等；做完了前处理后，cfd的核心解算器（solver）将根据具体的模型，完成相应计算任务，并生成结果数据；后处理过程是对生成的结果数据进行组织和诠释，一般以直观可视的形式给出来，计算结果可用于内部流动诊断、流动预测、性能分析等作用。（1）前处理器前处理器（preprocessor）用于完成前处理工作。前处理环节是向cfd软件输入所求问题的相关数据，该过程一般是借助与求解器相对应的对话框等图形界面来完成的。gambit软件是面向cfd的前处理器软件，它包含全面的几何建模能力和功能强大的网格划分工具，可以划分出包含边界层等cfd特殊要求的高质量的网格。gambit可以生成fluent5、fluent4.5、fidap、polyflow等求解器所需要的网格。gambit软件将功能强大的几何建模能力和灵活易用的网格生成技术集成在一起。使用gambit软件，将大大减小cfd应用过程中，建立几何模型和流场和划分网格所需要的时间。用户可以直接使用gambit软件建立复杂的实体模型，也可以从主流的cad/cae系统中直接读入数据。gambit软件高度自动化，所生成的网格可以是非结构化的，也可以是多种类型组成的混合网格。gambit之所以被认为是商用cfd软件最优秀的前置处理器完全得益于其突出的非结构化的网格生成能力。gambit能够针对极其复杂的几何外形生成三维四面体、六面体的非结构化网格及混合网格，且有数十种网格生成方法，生成网格过程又具有很强的自动化能力，因而大大减少了工程师的工作量。gambit包含全面的几何建模能力,既可以在gambit内直接建立点、线、面、体的几何模型，也可以从pro/e、ugii、ideas、catia、solidworks、ansys、patran等主流的cad/cae系统导入几何和网格。gambit与cad软件之间的直接接口和强大的布尔运算能力为建立复杂的几何模型提供了极大的方便。同时gambit提供了对复杂的几何形体生成附面层内网格的重要功能。（附面层是流动变化最为剧烈的区域，因而附面层网格对计算的精度有很大影响）。而且附面层内的贴体网格能很好地与主流区域的网格自动衔接，大大提高了网格的质量。另外，gambit能自动将四面体、六面体、三角柱和金字塔形网格自动混合起来，这对复杂几何外形来说尤为重要。在网格划分方面gambit软件提供了功能强大、灵活易用的网格划分工具，可以划分出满足cfd特殊需要的网格，有如下几种网格可以生成：（1）生成线网格在线上生成网格，作为将在面上划分网格的网格种子，允许用户详细的控制在线上节点的分布规律，gambit提供了满足cfd计算特殊需要的五种预定义的节点分布规律。 （2）生成面网格 对于平面及轴对称流动问题，只需要生成面网格。对于三维问题，也可以先划分面网格，作为进一步划分体网格的网格的网格种子。gambit根据几何形状及cfd计算的需要提供了三种不同的网格划分方法:①映射方法 映射网格划分技术是一种传统的网格划分技术，它仅适合于逻辑形状为四边形或三角形的面，它允许用户详细控制网格的生成。在几何形状不太复杂的情况下，可以生成高质量的结构化网格。②子映射方法 为了提高结构化网格生成效率，gambit软件使用子映射网格划分技术。也就是说，当用户提供的几何外形过于复杂，子影射网格划分方法可以自动对几何对象进行再分割，使在原本不能生成结构化网格的几何实体上划分出结构化网格。子映射网格技术是fluent公司独创的一种新方法，它对几何体的分割只是在网格划分算法里进行，并不真正对用户提供的几何外形做实际操作。③自由网格 对于拓扑形状较为复杂的面，可以生成自由网格，用户可以选择合适的网格类型(三角形或四边)。 （3）边界层网格 cfd计算对计算网格有特殊的要求，一是考虑到近壁粘性效应采用较密的贴体网格，二是网格的疏密程度与流场参数的变化梯度大体一致。对于面网格，可以设置平行于给定边的边界层网格，可以指定第二层与第一层的间距比，及总的层数。对于体网格，也可以设置垂直于壁面方向的边界层，从而可以划分出高质量的贴体网格。而其它通用的cae前处理器主要是根据结构强度分析的需要而设计的，在结构分析中不存在边界层问题，因而采用这种工具生成的网格难以满足cfd计算要求，而gambit软件解决了这个特殊要求。最后gambit 拥有强大的可视化网格检查技术和网格输出功能可以直观的显示网格质量，用户可以浏览单元畸变、扭曲、网格过度、光滑性等质量参数，可以根据需要细化和优化网格，从而保证cfd的计算网格 。用颜色代表网格的质量。gambit拥有多种方便简捷的网格检查技术，使工程师能快捷的检查已生成的网格的质量。该模块包括对网格单元的体积、扭曲率、长细比等影响收敛和稳定的参数进行报告。工程师可以直观而方便地定位质量较差的网格单元从而进一步优化网格。gambit支持所有的fluent求解器，如fluent4.5，fluent5，nekton，polyflow，fidap等求解器。gambit支持面向图形的边界条件，也就是说，用户可以直接在几何图形上施加流动的边界条件。不需要在网格上进行操作。（2）.求解器求解器（solver）的核心是数值求解方案。常用的数值求解方案包括有限差分、有限元、谱方法和有限体积法等。总体上讲，这些方法的求解过程大致相同，包括以下步骤：．借助简单函数来近似待求的流动变量．将该近似关系代入连续型的控制方程中，形成离散方程组．求解代数方程组各种数值求解方案的主要差别在于流动变量被近似的方式及相应的离散化过程 。（3）.后处理器后处理的目的是有效地观察和分析流动计算结果。随着计算机图形功能的提高，目前的cfd软件均配备了后处理（postprocessor)，提供了较为完善的后处理功能，包括：．计算域的几何模型及网格显示．矢量图（如速度矢量线）．等值线图．填充型的等值线图（如压力云图）．xy散点图．粒子轨迹图．图像处理功能（平移、缩放、旋转等）借助后处理功能，还一可动态模拟流动效果，直观地了解cfd的计算结果。

fluent中有几种处理流体机械流动问题的模型，分别为旋转坐标系模型（rotating reference frame），多参考坐标系模型(mrf)，混合平面模型(mixing plane)，滑移网格模型(sliding plane)。

预期进度按照任务书安排的步骤，按部就班，着实推进。依刘老师建议，遂将毕业设计分解成如下5个方面。具体如下：1.安装计算流体动力学前处理软件gambit2.1.6、计算流体动力学商用软件fluent2.1.66。2.熟悉gabmit界面和操作，包括生成几何模型结构、turbo工具的操作、模型的网格划分、区域类型设定及网格文件输出。利用gambit软件建立cpu风扇模型、划分网格、定义边界条件、区域类型、输出网格文件。3.熟悉fluent界面和操作。利用fluent－3d求解器进行计算及后处理读入网格文件，定义各求解参数，利用fluent－3d求解器进行计算。对计算结果后处理。4.撰写论文 首先第一步骤已在寒假期间完成，接下来将进行第2步骤。对于一款新软件，个人认为从熟悉到掌握是一个慢过程，软件的熟练运用是基础，更是重点。如果基础不牢固，很难顺利往下进行，所以这段时间大概在一到一个半月时间，而且恰逢工作实习，所以时间很紧张。对于gabmit和fluent两款软件，gabmit是重点，应将重心放在这款软件的学习上。所以对于第3步骤，可以适时地缩短时间。由于六月初要进行答辩，争取在五月前完成前4步骤，对于论文的编写，尽努力在半个月完成并提交给刘老师进行批阅与修改。再用接下来的一周时间进行论文的最终确认，提交文档。

4. 研究创新点

本毕业设计在熟悉Fluent三种功能基础上，主要完成以下工作：

1. 利用GAMBIT软件建立CPU风扇模型。CPU风扇模型由轴流风扇和放射状散热肋片组成。

（1） 风扇选用CLARKY翼型。建模时注意CLARKY*dat数据文件中3组数据分别对应x,y,z坐标，hub（轮毂）、case（机壳）母线建立在xz平面上，叶片安装角是绕z轴旋转40、32度，在生成turbo体风机转轴是x轴。因为风扇是轴向周期性，建模时生成turbo体为风扇整体1/5，即一个叶片单流道区。（建立全流道计算时需要整合、布尔运算。）具体建模方法参见GAMBIT Tutorial Guide之第八²章或者参考文献3第三章。风扇叶轮参数如表1，翼型参数见附件CLARKY翼型。

（2） 在风扇一侧建立放射状散热肋片。散热片参数如下：

铜芯内径d=30mm，铝散热肋片外径D=100mm，散热器高度h=67mm，肋片数n=48，肋片厚度δ＝1mm。

为获得散热片散热流场，需要在散热片外建立流体域，流体区域高77mm，直径11mm。

（3） 网格划分：由于CPU风扇及散热片几何结构比较复杂，属于不规则形状，结构 化网格进行划分具有一定难度，使用非结构化网格相结合对风扇叶轮计算域及散热片流体域进行网格划分。网格单元可以采用Tet/Hybrid，网格类型可以选： TGrid 。

（4） GAMBIT下边界条件和流体区域的初始设定：

入口边界条件：设定进口边界为压力进口（pressure-inlet)。

出口边界条件：设定出口边界为压力出口（pressure-outlet）。

叶片边界条件：设定固壁（wall）。

其余边界选择默认。

风扇旋转区域：设定为流体（fluid）。

散热片流体域：设定为流体（fluid）。

输出.msh文件。

2. 利用Fluent－3d求解器进行计算

（1） 读入网格文件、检查网格；设置非耦合求解器（Segregated）选用绝对速度表达式；选择RNG k-e紊流模型；设置流体属性等；

（2） 旋转流体区：旋转流体区是数值模拟计算的主要控制体，采用动参考坐标系（Moving

Reference frame），该区域的旋转速度与叶轮转速相同，空气从进口沿x轴方向向出口运动。（Fluent定义绕轴逆时针转为正值）；

（3） 对特殊边界条件进行设置：入口和出口边界可以保持默认压力入口和压力出口；叶片壁面重新定义为旋转壁面(moving wall) ，风扇旋转速度为相对速度，与周围的流体速度相等。机壳内壁：机壳壁面采用无滑移固壁边界条件(no-slip)。当壁面运动速度为0时，壁面处的流体速度也为0；当壁面运动速度不为0时，壁面处的流体速度和壁面的运动速度相同。

（4） 在风扇出口和散热器入口需应用混合平面模型（mixing plane）。

（5） 启动Fluent进行计算：设置求解控制参数后，用inlet 边界对流场初始化开始迭代计算。

（6） 计算结果后处理：输出叶片压力面、吸力面的压力云图、速度图；等值子午面及等值圆柱面的压力分布图、马赫数分布云图、速度矢量图等。

3. 对流场进行分析。

1风扇叶轮参数表