Fluent 中的热阻设置

注意事项：本文基于 2026R1 版本编写，其他版本可能有细节区别。

1 热阻概述

热阻（thermal resistance）是一种典型传热现象，表述了在不同部分的界面位置，各种小尺度因素对传热的阻碍。国际单位制下，热阻单位为 K/W。

芯片手册上的各种热阻值（图源：techweb.rohm.com）

根据传热机理的不同，热阻有多种成因和处理方法。

固体之间的热阻，成因主要是固体之间有空气间隙。常见减小热阻的方法为使用 TIM（thermal interface material，热界面材料）填充固体表面的空气间隙。

TIM 应用（图源：ecothermgroup.com）

固体和流体之间的热阻，成因主要是流体在固体表面附近的流动速度较慢，形成热传导为主的热边界层。此类因素通常只能通过修改流道设计，改善流动状态来处理。

热边界层和速度边界层对比（图源：mathworks.com）

固体表面若存在涂层、锈蚀、积灰等情况，也会显著增加热阻。建筑、航空航天、化工等领域，广泛使用隔热涂层等方法增加固体表面和外界环境的热阻，实现隔热保温的需求。

油气存储罐的隔热涂层喷涂作业（图源：neotechcoatings.com）

积灰的电脑散热器（图源：ifixit.com）

2 热阻的计算

根据热阻形成的原因，热阻可视为在特殊固体材料中的一维热传导，且传热方向为材料厚度方向。

热阻计算模型示意图

热阻的定义为热阻两侧的温度差和传递的热量之间的比例：

傅里叶热传导的基本规律（不考虑热流方向性，仅考虑绝对值）：

对于一维热传导，温度梯度可简化为如下算式，其中 h 为热阻材料的厚度：

将上式代入，可得热阻值和热阻材料之间的关系为：

3 热阻在 Fluent 中的处理

在 CFD 中，通常无法通过网格直接表征固体之间的空气间隙、表面涂层等热阻因素。原因在于，热阻因素的尺度相对于实际网格尺度太小，且部分因素为随机情况。

在 Fluent 中，无法直接定义热阻值，需要通过壁面边界条件设置从而间接设置热阻。

在壁面边界条件设置中，可通过设置壁面的厚度和热阻材料，从而间接表征热阻。热阻材料仅需要设置热传导率即可，其他属性对于计算影响不大。

对于计算域内部的 wall 和 wall-shadow 配对，仅需要设定其中一个面，程序会自动修改相应的配对面设置。

Fluent 默认为 0 厚度壁面，表示无热阻。此时，壁面使用任意材料，均不影响实际结果。

例如上述示例中，若接触面积为 1 mm^2，则根据热阻计算公式，得到对应的热阻值为 2 K/W。

壁面厚度可通过表达式、UDF、数据表等方法设置为变量，从而表征热阻的变化情况。

例如厚度采用表达式，表述随时间变化的关系。

根据热阻计算公式，其对应的热阻变化如表达式计算所示。