1.6 某LED自然冷却模拟实例

1.6.1 实例介绍

某LED灯具，包括散热器、透镜、铝基板、盖等几何体，如图1-48所示。LED灯具进行自然冷却模拟计算，需要考虑自然对流、热传导、辐射换热计算。由于LED灯具的几何模型均为异形几何体，因此所有的CAD体均通过ANSYS Icepak的CAD接口导入建立热仿真模型。

1.6.2 建立热仿真模型

1．项目命名

启动ANSYS Workbench，单击保存，在弹出的面板中输入LED，单击保存。

2．导入模型

双击工具箱内的Geometry→Icepak；在项目视图区域中出现DM、Icepak单元。

3．CAD导入

双击项目视图区域中的Geometry单元，打开DM软件；单击File→Import External Geometry File，在弹出的面板中浏览选择在线资源中的LED. stp；单击Generate，完成模型的导入，如图1-49及图1-50所示。

4．CAD模型转化

由于本模型中大部分几何体均为异形几何体，因此可使用DM的Simplify工具直接进行转化。如图1-51所示，单击Tool（略）→Electronics→Simplify，出现如图1-52所示的Simplify转化面板。

在Details of Simplify2面板中，单击Simplification Type右侧选项，选择Level 3；在Select Bodies中，选择图形区域的散热器，单击Apply；在Facet Quality中，单击右侧下拉菜单，选择Very Fine；单击Generate，完成CAD模型的转化。

依次对LED灯具的其他模型进行转化，Simplify转化面板的选择和散热器的转化面板完全相同；转化完成后，关闭DM（注意：也可以同时选择多个器件直接进行Simplify）。

5．模型导入Icepak

在ANSYS Workbench平台下，拖动DM至Icepak单元，WB会自动将DM转化的模型导入ANSYS Icepak中，如图1-53所示。

双击Icepak单元的Setup，打开Icepak软件，出现如图1-54所示的界面，单击Save，保存导入的热模型。

6．修改计算区域

双击模型树下的Cabinet，如图1-55所示，输入Cabinet的几何尺寸，扩大Cabinet计算区域的空间，以模拟空气的自然对流；单击Properties，设置Cabinet的6个面为Opening边界。

7．器件命名及材料输入

双击模型树下的各个Block，打开Block的编辑窗口，在Info面板中，对不同器件进行命名（注意，如果CAD模型中本身包含器件独立的名称，导入后ANSYS Icepak会按照器件各自的名称进行命名），在各自的属性面板中，选择相应的材料，如表1-4所示。

8．铝基板材料输入

双击lvbase（铝基板），打开其编辑窗口，在属性面板中，单击Solid material的下拉菜单，单击Create material，创建新材料。在打开的面板中，在Conductivity中输入2.0，单击Done，完成铝基板新材料的创建，如图1-56所示。

由于此CAD模型中无LED灯珠的模型，因此本案例直接将热耗加载给铝基板。在铝基板的属性面板中，输入Total Power为5W。

1.6.3 网格划分

（1）选择模型树下所有器件，单击右键，在弹出的面板中选择Create→Assembly，如图1-57所示。建立Assembly，用于非连续性网格的划分。

（2）双击打开Assemblies编辑窗口，如图1-58所示，选择Mesh separately，输入Assemblies各个面的Slack数值为5（表示将Assemblies包含的区域向6个方向扩展5mm空间）；选择Max element size下的X、Y、Z，分别输入3.0、5.0、3.0，表示此区域内的最大网格尺寸；选择Global下的相应选项。

选择Set uniform mesh params，可用于改善Mesher-HD的网格质量，减少网格的个数。

单击Assemblies面板的Multi-level面板，选择Allow multi-level meshing，表示划分多级网格；单击右侧的Edit levels，在打开的面板中，对不同的模型输入不同的Max levels（根据模型的最小尺寸决定级数的大小），如图1-59所示。

（3）单击快捷工具栏中划分网格，打开划分网格面板；如图1-60所示输入相应值，单击Generate, ANSYS Icepak会自动划分网格。整个模型的网格数为396233个，网格节点数为387504个。

（4）网格检查：选择模型树下的不同器件，单击网格划分面板的Display，选择Surface→Solid fill，可检查ANSYS Icepak划分的网格是否贴体，如果不贴体，需要修改网格的设置（主要是修改多级网格的级数和非连续性网格区域内的最大网格尺寸），重新划分网格。

从图1-61中可以看出，ANSYS Icepak划分的网格完全贴体几何本身的模型。从图1-62中可以看出，整体模型使用了非连续性网格及多级网格，网格质量良好，而在非连续性网格区域内部，不同的几何模型使用了不同级数的多级网格。

（5）网格质量准则检查：单击网格划分面板的Quality，依次单击Face alignment（面对齐率）、Volume（网格体积）、Skewness（网格的偏斜度）等，在Icepak的窗口中将出现相应准则的具体数值。如图1-63所示，通过检查，ANSYS Icepak划分的网格质量均满足相应的质量准则。

1.6.4 求解计算设置

（1）Basic parameters（基本参数设置）：双击左上角区域的Basic parameters，打开其面板，单击Radiation（辐射换热）下的Discrete ordinates radiation model，单击右侧的Options，如图1-64所示输入相应参数。选择Turbulent（湍流模型），默认使用Zero equation（零方程模型）。选择Gravity vector，保持默认设置。

单击Basic parameters面板的Defaults，设置环境温度，默认为20（℃）；单击Transient setup，在Solution initialization中输入Y velocity为0.15（m/s），表示设置求解初始化参数，其他保持默认设置，如图1-65所示。

（2）Solution settings（求解设置）：双击Basic settings，打开面板，如图1-66所示；双击Par-allel settings，单击选择Parallel，在#processors中输入2，表示使用双核进行并行计算（需要AN-SYS HPC支持）。

（3）选择模型树下的lvbase（铝基板），直接拖曳到模型树上侧区域Points内，ANSYS Icepak会自动创建铝基板中心位置的监控点，监控变量为温度，如图1-67所示。

（4）单击快捷工具栏中的计算，保持默认的设置，进行求解计算。ANSYS Icepak会自动弹出Fluent求解器、残差曲线及温度监控点曲线。随着求解计算的进行，残差曲线接近设置的残差标准，温度监控点曲线的数值逐渐平稳，如图1-68所示。

1.6.5 后处理显示

（1）单击Plane cut，打开切面的后处理面板，如图1-69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Calcu-lated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。

同理，取消Show contours（云图显示），选择Show vectors，单击Parameters，打开Plane cut vectors，单击选择Uniform，输入20000，在Arrow style中单击下拉菜单，选择3D arrow heads，分别单击Apply、Done，如图1-70所示，可显示切面的速度矢量图。

切面的温度云图及速度矢量图如图1-71所示。

（2）单击快捷工具栏中的Object face（体后处理），选择Object face面板下的Show con-tours，在Object中选择object assembly.1，单击右侧的Parameters，在Calculated中选择This ob-ject，在Number中输入120，其他保持默认的设置，单击Done，如图1-72所示，也可以单独选择某个器件，然后进行其温度的后处理显示。

单击快捷工具栏中的探针，在LED灯具的温度云图上进行单击，可显示不同区域的具体温度数值，如图1-73所示。

（3）打开Object face的编辑面板，单击Object的下拉菜单，选择object cabinet_default_side_miny；选择Show particle traces，单击Parameters；在Object face particles面板Color by中选择Scalar variable，在Color variable中选择Speed（表示通过变量速度的大小进行迹线的显示），在Unifrom中输入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1-74所示。

当完成后处理显示以后，关闭ANSYS Icepak，进入WB平台，可以发现，ANSYS Icepak单元中的Setup和Solution后均显示“√”，如图1-75所示；表示求解计算完成，单击Save保存，关闭WB。