FloEFDPro V91 第二章 耦合熱交換

1、2第二章：第一階段 耦合熱交換這一階段耦合熱交換教程展現了如何對涉及到固體導熱的流動分析進行每一步基礎的設置。雖然說這個例子的基本原則是適用于所有的散熱問題，但這個例子對那些關注電子設備內流動和熱交換的用戶特別有借鑒意義。現在假定你已經完成了第一階段：球閥設計教程，因為這個例子將展現一些更為詳細的 FloEFD.Pro的使用原則。打開模型1. 復制 First Steps - Electronics Cooling 文件夾到你的工作目錄，此外由于 FloEFD.Pro在運行時會對其輸入的數據進行存儲，所以必須確保文件處于非只讀狀態(tài)。運行 FloEFD.Pro，點擊 File，Open。2. 在

2、Open 對話框，瀏覽 First Steps - Electronics Cooling 文件夾找到 組件并且點擊 Open。準備模型在這個分析組件中存在很多特性，零件或子組件不需要分析。使用 FloEFD.Pro 之前，仔細檢查模型中不參與到分析中的元器件是一種良好的軟件使用習慣。剔除那些不參與到分析中的元件可以減少對計算機資源的要求和求解時間。這個組件中包含了如下一些元件：外殼，主板，PCB板，電容，電源，散熱器，芯片，風機，螺釘，風扇支架，蓋子等。通過點擊Pro/ENGINEER模型樹中的特征，你可以看到所有的這些元器件。在這個教程中我們通過對入口蓋子內表面處的 Fan 設定一個邊界條

3、件來對風機進行仿真。這個風機的幾何外形比較復雜，重新生成的話需要一定時間。因為風機的外殼在機殼之外，所以我們可以將其壓縮（Pro/E功能）從而加快 Pro/ENGINEER 的操作。1. 在模型樹中選擇 FAN-412及其子組件，和所有 Pattern 4 of SCREW 項。2. 右擊先前選擇的任何一個元件并且選擇 Suppress，點擊OK確定開始壓縮。壓縮風機和風機螺母在機殼留下了五個開孔。將要運行內部分析，所以所有的開孔必須與蓋子一起關閉。可以通過Flow Analysis, Tools, Create Lids中的創(chuàng)建蓋子的工具完成操作。為節(jié)省操作者的時間，入口蓋子已經創(chuàng)建好，并且

4、已經添加到模型中。只需解壓就能使用。請確保Tree Filters 設置允許觀看Model Tree中的目標。3. 在模型樹中選擇INLET_LID 和Pattern 5 of SCREWHOLE_LID。4. 右擊選中的任意元件并選擇Resume?，F在開始啟動 FloEFD.Pro。創(chuàng)建 FloEFD.Pro 項目1. 點擊 Flow Analysis，Project，Wizard。2. 如果已經在向導狀態(tài)，直接選擇Create new，以便創(chuàng)建一個新的配置并且命名為 INLET_FAN。點擊 Next。現在我們將創(chuàng)建一個名為 USA Electronics 的新系統單位，這將更有助于我們進

5、行分析。3. 在 Unit system 列表選擇 USA 系統單位。選擇 Create new 對工程數據增加一個新的系統單位，稱之為 USA Electronics。FloEFD.Pro 允許你使用預先定義好的系統單位，但通常你可以自定義常用的系統單位以便于分析。無論是預定義的系統單位還是自定義系統單位都被保存在 Engineering Database 中。你也可以在 Engineering Database 或 Wizard創(chuàng)建你所需要的系統單位。通過拉動 Parameter 樹中的滾動條，你可以看到對所有參數所設定的單位。盡管絕大多數的參數都有一個常用的單位，諸如對于速度是 ft/s

6、 ，對于體積流是 CFM (每分鐘立方英尺) 但是我們還是要改變一些對于這個模型而言更為方便分析的參數單位。由于模型的幾何參數比較小，所以用英寸來替代英尺來作為長度單位更合適。4. 對于 Length 框，雙擊 Units 項并選擇 Inch。5. 接著展開 Parameter 樹中的 Heat 組。為了我們更為方便的處理電子設備類問題，我們將功率和熱流單位分別定義為 Watt 和 Watt/。點擊 Next。6. 設置分析類型為 Internal。在Physical Features下勾選 Heat conduction in solids。選擇固體導熱是因為幾個電子元器件產生熱量，我們關注

7、這些熱量是如何通過散熱器和其他固體導熱進行傳遞，直至最后進入到流體中去的。點擊 Next。7. 展開 Gases 夾并且雙擊 Air 行。 保持默認的 Flow Characteristics。點擊 Next 。8. 展開Alloys夾并且點擊Steel Stainless 321作為 Default solid。在 Wizard 中你可以指定應用到 FloEFD.Pro 項目中所有固體元件的默認固體材料。想對一個或多個不同的元器件指定不同的固體材料，你可以在項目創(chuàng)建完成之后對這些元器件定義Solid Material 條件。點擊 Next。9. 選擇Heat transfer coeffic

8、ient作為默認的外表壁面的熱條件（Default outer wall thermal condition），定義換熱系數（Heat transfer coefficient）值為5.5 W/m2/K， 外部流體溫度（External fluid temperature）值為500F。輸入的傳熱系數值自動轉成所選擇的單位系統(USA Electronics)。在Wizard 中Wall Conditions 對話框定義模型壁面默認條件。如果Heat conduction in solids可行，Default outer wall thermal condition參數允許仿真模型壁面外側和

9、周圍環(huán)境間的熱交換。案例中箱體置于空氣溫度50F的空調房，熱由于自然對流通過機箱外表壁極大地冷卻機箱。點擊 Next。盡管設置初始溫度對于一段時間后溫度到達某一確定值的瞬態(tài)分析而言是相當重要的，同樣對于設置一個與最終仿真結果值相近的初始值有助于加速迭代計算的收斂。在這個例子中，由于設備處于室溫下，所以我們設置初始的空氣溫度和不銹鋼（描述了機殼）的溫度為50F。10. 設置初始流體 Temperature 和Initial solid temperature 為 50F。點擊 Next 。11. 接受 Result resolution 的默認值并且保持自動設置 Minimum gap size

10、 和 Minimum wall thickness。FloEFD.Pro 通過使用整個模型尺寸、計算域和指定了邊界條件和目標的面等信息來確定默認的最小間隙尺寸和最小壁面厚度。在開始計算之前，我們推薦你檢查一下最小間隙尺寸和最小壁面厚度，從而確保一些小的特征不會被忽略。我們會在所有的邊界條件和目標設定之后再來回顧一下這些方面。點擊 Finish?，F在 FloEFD.Pro 利用賦值數據方式創(chuàng)建了一個新的例子。我們使用 FloEFD.Pro分析樹定義我們的分析，這種定義方式類似我們先前利用特性管理設計樹定義我們的模型。點擊FloEFD.Pro 轉換到FloEFD.Pro Analysis Tree

11、，右擊 Computational Domain 圖標并選擇 Hide從而隱藏求解域線框。定義風扇風機就是一種流動的邊界條件。你可以在沒有定義 Boundary Conditions 和 Sources 的固體表面處來定義 Fans。你也可以在模型的入口或出口處人工的加一個蓋子來定義風扇。你可以在內部流動區(qū)域的面上定義內部風扇。風機被認為是體積流量（或質量流量）隨著選定的進出口面上壓降不同而變化的理想裝置。風機的體積流量與靜壓降的特性曲線來自 Engineering Database。如果你分析的模型中有風機，你必須知道這個風機的性能特性曲線。在這個例子中我們采用 Engineering Da

12、tabase 中一個預先定義的風機。如果你不能在數據庫中找到一個合適的風機特性曲線，你可以根據你風機的具體參數創(chuàng)建一個你自己的風機特性曲線。1. 點擊 Flow Analysis，Insert，Fan。Fan 對話框出現。2. 如圖所示選擇 INLET_LID 的內表面。(訪問內表面，設置Filter為Geometry，右擊INLET_LID直到內表面突出，然后單擊鼠標左鍵)。3. 選擇 External Inlet Fan 作為風扇 type。4. 點擊Browse，從Engineering database中選擇風扇曲線。5. 在 Fan清單中Pre-Defined, Axial, Pap

13、st 中選擇Papst412項。6. 點擊OK返回到Fan對話框。7. 在Settings頁擴展Thermodynamic Parameters項，檢查Ambient Pressure 是大氣壓力。8. 回到Definition 頁面。接受Face Coordinate System作為Coordinate System。當選擇這個面作為應用邊界條件或風機的面時，Face coordinate system會自動創(chuàng)建在這個平面的中心。坐標系的X軸垂直于這個面。Face coordinate system 只有在一個平面被選擇的情況下才會被創(chuàng)建。9. 接受X作為Reference axis。10

14、. 點擊OK。新Fans文件夾和External Inlet Fan 1出現在FloEFD.Pro分析樹中?，F在可以編輯 External Inlet Fan1 項或者使用 FloEFD.Pro 分析樹來增加一個新的風扇。直到最后一個這類特性被刪除之前，這個文件夾都會處于顯示狀態(tài)。也可以在分析樹創(chuàng)建一個特性文件夾。右擊項目名并且選擇 Customize Tree 增加或剔除一個文件夾。由于蓋子出口處是環(huán)境大氣壓，所以風機產生的靜壓等于氣流通過電子設備時候的壓降。定義邊界條件除了開口處定義了風機之外，任何流體流經系統處都要定義邊界條件。邊界條件可以 以Pressure， Mass Flow，Vo

15、lume Flow 或 Velocity 形式定義。你也可以使用 Boundary Condition 對話框來定義 Ideal Wall 邊界條件，這個邊界條件可以是絕熱，無摩擦壁面。或定義 Real Wall 邊界條件，這個邊界條件可以設置壁面粗糙度或者溫度以及模型表面的熱交換系數。對于具有內部固體導熱的分析，你也可以通過定義一個 Outer Wall 邊界條件來對模型外壁面設置一個熱特性邊界條件。1. 在 FloEFD.Pro 分析樹，右擊 Boundary Conditions 圖標并且選擇 Insert Boundary Condition。2. 如圖所示選擇所有出口蓋子的內表面。3

16、. 選擇Pressure openings 和Environment Pressure。4. Settings頁保存默認設置。5. 點擊 OK。 新的 Environment Pressure 1 項出現在 FloEFD.Pro 分析樹中。環(huán)境壓力邊界條件在流動出口處作為靜壓，在流動入口處作為總壓。定義熱源1. 點擊 Flow Analysis，Insert，Volume Source。2. 點擊模型樹, 選擇MAIN_CHIP, 作為應用體積熱源的元件。3. 選擇 Heat Generation Rate 作為 Source類型。4. 在Settings頁Heat generation ra

17、te 框中輸入 5W。5. 點擊 OK。6. 在 FloEFD.Pro 分析樹中不連續(xù)雙擊新建的 VS Heat Generation Rate 1 項并且重新命名為 Main Chip。體積熱源允許你定義熱耗率（W）或者單位體積熱耗率（ W/m3）或者對于體積設定一個常溫的邊界條件。另外也可以對表面熱源定義熱交換率（W）或者熱流（ W/m2）。7. 在 FloEFD.Pro分析樹中右擊 Heat Sources 圖標并且選擇 Insert Volume Source 。8. 在模型樹中選擇Pattern 3 of CAPACITOR項下的所有 CAPACITOR 元件。9. Source t

18、ype中選擇Temperature。10. Settings頁在Temperature框中輸入 100 F。11. 點擊 OK。12. 不連續(xù)雙擊新建的 VS Temperature 1 項，重新命名為 Capacitors。13. 以下的步驟與上面相類似，設置所有的以下這些體積熱源：所有 PCB 板上的芯片(SMALL_CHIP) 具有總熱耗率 4 W，POWER_SUPPLY的溫度為 120 F。 14. 重命名應用到芯片 Small Chips 的熱源和電源 Power Supply 的功率。點擊 File，Save。創(chuàng)建新材料PCB 板是由多層環(huán)氧材料與金屬導體交叉的層壓材料制成。對于

19、大多數層壓材料，典型的PCB材料屬性會根據方向的不同而表現出極大的不同，比如各向異性。工程庫包含一些預定義的帶有各向異性熱傳導率的PCB材料。指南中PCB的各向異性熱傳導沒有過多的影響到冷卻性能，所以我們將創(chuàng)建一個在各個方向具有相同熱傳導屬性的PCB材料，以此學習如何在工程庫中添加新材料，并將材料指定給元件。1. 點擊 Flow Analysis，Tools，Engineering Database。2. 在 Database tree 選擇 Materials，Solids，User Defined。3. 點擊工具欄上的 New Item 。空白 Item Properties 頁出現。雙擊

20、空白單元格來設置相應的特性參數。4. 按下列方式來定義材料特性: Name = Tutorial PCB，Comment = Isotropic PCB，Density = 1120 kg/m3，Specific heat = 1400 J/(kg*K)，Conductivity type = Isotropic Thermal conductivity = 10 W/(m*K)， Melting temperature = 390K。我們需要添加新材料仿真熱傳導率以及其他芯片材料的熱屬性。5. 轉到Items頁，點擊工具欄處的 New Item 。6. 指定芯片材料的屬性：Name = Tu

21、torial component package，Comment = Component package，Density = 2000 kg/m3，Specific heat = 120 J/(kg*K)，Conductivity type = Isotropic Thermal conductivity = 0.4 W/(m*K)， Melting temperature = 1688.2 K。7. 點擊 Save 。 8. 點擊 File，Exit 退出工程數據庫。在輸入材料特性時，你也可以通過在輸入值后輸入你想要的系統單位，FloEFD.Pro 會自動的將值轉換成公制。你也可以用 Tab

22、les and Curves 頁來定義材料特性隨著溫度變化。定義固體材料Solid Materials 被用于定義組件中固體的材料。1. 右擊Solid Materials 圖標并選擇 Insert Solid Material。2. 在模型樹中選擇MOTHERBOARD，和兩個PCB 元件。3. 點擊Browse。4. 選擇 Solids，User Defined 項下的Tutorial PCB 項。5. 點擊OK返回到Solid Material 對話框。6. 點擊 OK。7. 以下的步驟與上面相類似，設置以下固體材料: l 主片板和其它所有小芯片，指定為新的Tutorial compon

23、ent package材料（材料在User Defined里面已經定義好了）；l 以 Aluminum 作為材料的散熱器（材料在Pre-Defined, Metals里面已經定義好了）；l 以 Insulator 作為材料的蓋子(INLET_LID以及所有Pattern 2 of OUTLET_LID和Pattern 5 of SCREWHOLE_LID) ，（材料在Pre-Defined, Glasses 和Minerals里面已經定義好了）。選擇一個元件，點擊模型樹中或者圖形區(qū)域的實際零件。8. 改變每一個固體材料的名稱。新的名稱如下所示：PCB Tutorial PCB， Chips T

24、utorial component package，Heat Sink - Aluminum， Lids Insulator。點擊 File，Save。定義工程目標定義體積目標1. 右擊 Goals 圖標并且選擇 Insert Volume Goals。2. 分析樹的Small Chips項，選擇所有屬于Small Chips 的元件。3. 在 Parameter 表格中，勾選 Temperature of Solid 行的 Max。4. 接受勾選 Use for Conv（Use for Convergence Control） ，用于控制目標收斂。5. 點擊 OK。新的 VG Max Te

25、mperature of Solid 1 項出現在 FloEFD.Pro分析樹中。6. 改變新項的名稱為：VG Small Chips Max Temperature 。你也可以使用 Feature Properties 對話框來重命名，這個對話框可以通過右擊項目并選擇 Properties 來打開。點擊圖形區(qū)域的任意地方，可放棄選擇。7. 右擊 Goals 圖標并且選擇 Insert Volume Goals。8. 選擇特性管理設計樹中的 Main Chip 。9. 在 Parameter 表格中，勾選 Temperature of Solid 行的 Max。10. 點擊 OK。11. 重命

26、名 VG Max Temperature of Solid 1 項為 VG Chip Max Temperature。點擊圖形區(qū)域的任意地方，可以放棄選擇。定義表面目標1. 右擊 Goals 圖標并且選擇 Insert Surface Goals。2. 點擊External Inlet Fan 1 項選擇應用目標的表面。3. 在Parameter 表格，在Static Pressure 行勾選 Av。4. 接受勾選 （Use for Convergence Control） ，用于控制目標收斂。對于 X(Y， Z) 分力和X(Y， Z) 分扭矩表面目標，你可以在這些計算目標上選擇坐標系。5.

27、點擊底部的 Inlet 并且從Name template 去除 。6. 點擊 OK。 新的 SG Inlet Av Static Pressure 目標出現。點擊圖形區(qū)域的任意地方，可以放棄選擇。7. 右鍵點擊 Goals 圖標并且選擇 Insert Surface Goals。8. 點擊 Environment Pressure 1 項，選擇目標應用的面。9. 在 Parameter 表格，勾選 Mass Flow Rate 行。10. 接受選擇 Use for Conv作為用于控制收斂。11. 點擊 Outlet 并且從 Name template 去除 。12. 點擊 OK，SG Out

28、let Mass Flow Rate目標出現。定義全局目標1. 右擊 Goals 圖標并且選擇 Insert Global Goals。2. 在 Parameter 表格 Static Pressure 和 Temperature of Fluid 行勾選 Av 并且接受選擇 Use for Conv 用于控制收斂。3. 從 Name template 去除 并且點擊 OK。 GG Av Static Pressure和 GG Av Temperature of Fluid 目標出現。在這個教程中，設置的工程目標用于確定發(fā)熱元件的最大溫度，以及空氣的溫升，通過設備的壓降和質量流量。點擊 Fil

29、e，Save。接著對這個項目定義的幾何模型自動的進行檢查。改變幾何求解精度1. 點擊 Flow Analysis，Initial Mesh。2. 勾選 Manual specification of the minimum gap size。3. 由于最小流動通道的原因，輸入 in（舉例：這個通道處于散熱器的翅片中間）當模型中有一些小的特征時，輸入最小間隔尺寸和最小壁面厚度是非常重要的。精確的設定這些值可以確保網格劃分時，這些小的幾何特征不會被忽略。只有當小固體特征的兩側都存在流體網格時，才需要定義最小壁面厚度。在內部分析的例子中，在設備外部環(huán)境空間沒有流體網格存在。因此在內部流動和環(huán)境空間的

30、邊界處總是能夠很好的求解。這就是為什么你不用考慮不銹鋼機殼的壁面。無論 minimum gap size 還是 minimum wall thickness 都是幫助生成自適應網格從而獲得精確結果的有力工具。 其中最小間隔尺寸的設置可以取得更為明顯的效果。事實也確實如此， FloEFD.Pro 是通過定義的最初網格精度控制每一個 minimum gap size 確定最小網格數的方式來生成網格。這個數目等于或大于通過用 minimum wall thickness 生成的網格數。這就是為什么，即便你的模型內部流動區(qū)域中有一個纖薄的固體特征，當它大于或等于最小間隙尺寸時就不需要定義最小壁面尺寸。

31、如果你想求解小于最小間隙的薄壁面，那么你必須定義最小壁面厚度。點擊 OK。求解1. 點擊 Flow Analysis，Solve，Run。2. 點擊 Run。在普通的PC機上，這個求解的時間大約在2030分鐘。你可以注意到不同的目標到達收斂的迭代數目不同。 FloEFD.Pro 這個面向目標的理念可以使你使用更短的時間得到你所需要的結果。舉例來說，如果僅僅對設備內部的流體溫度感興趣， FloEFD.Pro 將會比要求所有參數都收斂更快的提供仿真結果。觀察目標1. 右擊 Results 下Goals 圖標并且選擇 Insert 。2. 點擊 Goals 對話框中 Add All 。3. 點擊 O

32、K。具有目標結果的Excel電子表格會打開，第一個電子表格將會顯示目標概況。你可以看到這個主芯片的溫度是 88 F，小芯片的溫度超過了 90 F。目標進程欄是目標收斂過程中性質和數量特性的顯示。當 FloEFD.Pro 分析目標收斂，它計算了這個目標差量，這個差量是由上一次到這一次最大和最小目標值的差定義的，并且比較這差量和目標收斂標準差量，這個目標收斂標準差量可以由你來指定之外，也可以由FloEFD.Pro 通過目標的物理參數在整個求解域上離散來自動確定。這個目標收斂差量標準與分析間隔上目標真實差量的百分比顯示在目標收斂過程條中。(當目標真實差量等于或小于目標收斂標準差量，這個過程條將變成“

33、完成”)。相應的，如果目標真實差量振蕩，這個過程條也會振蕩，此外，當一個棘手的問題被求解，可能會出現逆行，特別是從“完成”狀態(tài)上。如果要求的迭代計算步數已經完成或者在完成設定的迭代計算步數之前就達到目標收斂標準，則這個計算就會完成。依據你的判斷，你也可以定義其他的計算完成條件。更為詳細的分析結果，我們可以使用功能強大的 FloEFD.Pro 后處理工具。對于設備內部的流體最好的觀察方式是創(chuàng)建一個流動跡線圖。流動跡線圖1. 右擊 Flow Trajectories 圖標并選擇 Insert。2. 在 FloEFD.Pro 分析樹選擇 External Inlet Fan1項。選擇 INLET_L

34、ID 內表面。3. 設置 Number of trajectories 為 200。4. 在Start Points群保留Reference。如果 Reference 被選擇，則跡線的起點在被定義的面上。5. 在 Settings 頁，設置 Draw trajectories as 為 Band。6. 點擊View Settings。7. 在View Settings對話框，將Parameter 中的 Pressure 改為 Velocity。8. 在 Flow Trajectories 頁中確定 Use from contours 項被選擇。這個設置定義了跡線的顏色。如果 Use from

35、contours 被選擇，則跡線的顏色將與 Contours 中定義的參數顏色分布相一致 (我們例子中的參數是速度。如果你選擇 Use fixed color 則所有流動跡線都將只有同一種顏色，這個顏色可以在 Flow Trajectories 對話框的 Settings 進行定義。9. 點擊 OK 保存設置并且退出 View Settings 對話框。10. 在 Flow Trajectories 對話框中，點擊 OK。新的 Flow Trajectories 1 項將出現在 FloEFD.Pro 分析樹中?？梢钥吹较聢D：注意：只有少量的跡線與 PCB 板相臨近，這可能引起在 PCB 板上的芯片無法得到很好的制冷。此外藍色跡線意味著PCB 前的流速比較低。右擊 Flow Trajectories 1 項并且選擇 Hide。點擊圖形區(qū)域的任意地方來放棄選擇。讓我們更為詳細的分析速度的分布。切面云圖1. 右擊 Cut Plots 圖標并且選擇 Insert。2. 選擇 ASM_FRONT 平面作為截面平面。3. 點擊 View Settings。4. 分別改變 Min 和 Max 值為 0 和10。定義的整數值產生了一個彩色面板，以便于確定具體的值。5. 設置 Number of colors 大約為 30。6. 點擊 OK。7. 在 Cut Pl