4. 几何建模与计算域准备
自然对流仿真的几何准备与强制对流有本质区别：浮升力由温度差驱动，流体域的形状、重力方向、封闭/开放边界直接决定流场是否成立；辐射换热还要求区分不参与流动的固体域与可穿透辐射的参与介质域。因此，本节的核心任务不是“画出一个方腔”，而是把物理问题翻译成 Fluent 能正确识别的三类区域——流体域、固体域、辐射参与介质域，并通过共享拓扑与边界命名把区域之间的耦合关系固定下来。
三类计算域及其物理含义
在 SpaceClaim 或 DesignModeler 中建模时，首先要明确每个几何体在求解器中扮演的角色：
- 流体域（Fluid）：空气、水等可流动介质占据的空间，是动量方程与能量方程求解的主体。封闭方腔内部、机箱内空气腔、竖直平板外侧的远场空气层都属于流体域。
- 固体域（Solid）：发热芯片、PCB 板、金属外壳、平板本体等不流动但导热的区域。自然对流中固体域常作为热源或热沉，其导热与流体域的对流通过耦合界面交换热量。
- 辐射参与介质域：当介质对热辐射有吸收、发射或散射作用时（如高温烟气、参与性气体），需要在流体域中启用辐射模型并指定吸收系数、散射系数等参数。空气在常温下通常视为非参与介质，只需处理表面辐射。
三者的关系可以概括为：流体域负责流动与对流换热，固体域负责导热，辐射参与介质域负责介质内的辐射传递，而共享拓扑决定了它们之间是“耦合界面”还是“独立壁面”。
封闭方腔的建模流程
以经典的二维封闭方腔（边长 L = 0.1 m）为例，左侧壁面高温 T_h = 350 K，右侧壁面低温 T_c = 300 K，上下壁面绝热，空气 Pr ≈ 0.71，Ra 数约 10⁶。在 SpaceClaim 中的操作顺序如下：
- 在 XY 平面绘制 100 mm × 100 mm 矩形，作为流体域外轮廓。
- 使用“偏移”命令向内偏移 5 mm，生成壁面固体域；若只研究纯流体对流，可省略固体域，直接用壁面边界条件代替。
- 对流体域与固体域执行“共享拓扑”（Share Topology），使交界面自动生成共形网格界面。
- 进入命名选择（Named Selection），将左侧内壁面命名为
hot_wall，右侧内壁面命名为cold_wall，上下壁面命名为adiabatic_wall。 - 在 Workbench 中设置重力方向为 -Y，并确认流体域材料为空气，密度采用 Boussinesq 近似或理想气体模型。
这里的关键判断是：共享拓扑是否成功。如果流体域与固体域之间出现重复面或缝隙，Fluent 会将其识别为两个独立壁面，导致热量无法通过耦合界面传递，自然对流将退化为纯导热问题。检查方法是在 SpaceClaim 中查看“共享拓扑”状态，或在 Fluent 的 Mesh Interfaces 中确认是否存在未耦合的壁面。
竖直平板与电子机箱的域处理差异
竖直平板自然对流属于开放边界问题：平板竖直放置，周围空气受热上升，需要建立足够大的远场流体域（通常平板高度 H 的 5～10 倍），并将远场边界设为压力出口或压力远场。与封闭方腔不同，竖直平板不需要固体域包裹流体，而是将平板本身作为固体域嵌入流体域中，平板表面与流体域共享拓扑后形成耦合壁面。
电子机箱则介于两者之间：机箱外壳为固体域，内部空气为流体域，芯片和 PCB 为内部固体域。建模时需要注意：
- 机箱外壳的厚度通常为 1～2 mm，若远小于流场特征尺寸，可简化为零厚度壁面，但会丢失外壳导热热阻，需在壁面边界中指定等效热阻。
- 芯片与 PCB 之间的接触热阻可通过薄层固体域或界面热阻参数处理。
- 机箱内部若存在多个独立空气腔，需分别建立流体域并检查是否连通；不连通的腔体之间不会发生流动混合。
辐射参与介质域的处理
当流体域中介质参与辐射时（例如高温空气、燃烧烟气），需要在 Fluent 中启用 Discrete Ordinates（DO）或 Surface-to-Surface（S2S）模型，并在流体域材料属性中设置吸收系数 κ 和散射系数 σ_s。对于空气在常温常压下的自然对流，通常将空气视为非参与介质，只计算固体壁面之间的表面辐射，此时不需要单独建立“辐射参与介质域”，只需在辐射模型中激活相应壁面的辐射边界条件。
heat_sources，将所有外壁面归入 outer_walls。这样在 Fluent 中设置边界条件时可以直接按名称批量指定，避免逐个面选取。
边界命名与检查清单
边界命名不是装饰性工作，它直接决定 Fluent 中边界条件的可管理性。建议在几何阶段就完成以下命名：
| 命名 | 对应对象 | Fluent 边界类型 | 典型参数 |
|---|---|---|---|
hot_wall |
高温壁面 | Wall（Coupled / Temperature） | T = 350 K |
cold_wall |
低温壁面 | Wall（Coupled / Temperature） | T = 300 K |
adiabatic_wall |
绝热壁面 | Wall（Heat Flux = 0） | q = 0 W/m² |
far_field |
远场边界 | Pressure Outlet | 0 Pa 表压 |
heat_source |
芯片发热面 | Wall（Heat Flux） | q = 5000 W/m² |
完成几何与命名后，建议在 SpaceClaim 中执行一次“检查几何”操作，确认没有自由边、重复面或小面碎片。对于自然对流问题，几何中的细小缝隙或尖角会导致局部网格质量恶化，进而影响浮升力计算的收敛性。若发现小于 0.5 mm 的缝隙，应在几何阶段合并或填充，而不是留给网格阶段处理。
几何准备完成后，计算域应满足三个条件：流体域与固体域的交界面为共形耦合面，边界命名完整且与物理角色一致，重力方向与浮升力方向匹配。这三条是后续网格划分与求解设置能够顺利进行的前提。