FloEFD.Pro V9.1 第二章 耦合热交换

FloEFD Pro 9 1 指南指南 2 1 第二章 第一阶段第二章 第一阶段 耦合热交换耦合热交换 这一阶段耦合热交换教程展现了如何对涉及到固体导热的流动分析进行每一步基础的设置 虽 然说这个例子的基本原则是适用于所有的散热问题 但这个例子对那些关注电子设备内流动和 热交换的用户特别有借鉴意义 现在假定你已经完成了第一阶段 球阀设计教程 因为这个例 子将展现一些更为详细的 FloEFD Pro 的使用原则 打开模型打开模型 1 复制 First Steps Electronics Cooling 文件夹到你的工作目录 此外由于 FloEFD Pro 在运行时会对其输入的数据进行存储 所以必须确保文件处于非只读状态 运行 FloEFD Pro 点击 File Open 2 在Open 对话框 浏览 First Steps Electronics Cooling 文件夹找到 enclosure assembly asm 组件并且点击 Open 准备模型准备模型 在这个分析组件中存在很多特性 零件或子组件不需要分析 使用 FloEFD Pro 之前 仔细 检查模型中不参与到分析中的元器件是一种良好的软件使用习惯 剔除那些不参与到分析中的 元件可以减少对计算机资源的要求和求解时间 2 第二章第二章 第一阶段第一阶段 耦合热交换耦合热交换 2 2 这个组件中包含了如下一些元件 外壳 主板 PCB 板 电容 电源 散热器 芯片 风机 螺钉 风扇支架 盖子等 通过点击 Pro ENGINEER 模型树中的特征 你可以看到所有的这 些元器件 在这个教程中我们通过对入口盖子内表面处的 Fan 设定一个边界条件来对风机进 行仿真 这个风机的几何外形比较复杂 重新生成的话需要一定时间 因为风机的外壳在机壳 之外 所以我们可以将其压缩 Pro E 功能 从而加快 Pro ENGINEER 的操作 1 在模型树中选择 FAN 412 及其子组件 和所有 Pattern 4 of SCREW 项 2 右击先前选择的任何一个元件并且选择 Suppress 点击 OK 确定开始压缩 压缩风机和风机螺母在机壳留下了五个开孔 将要运行内部分析 所以所有的开孔必须与盖子一起关闭 可以通过 Flow Analysis Tools Create Lids 中的创 建盖子的工具完成操作 为节省操作者的时间 入口盖子已经创建好 并且已经添加到模型中 只需解压就能使用 请确保 Tree Filters 设置允许观看 Model Tree 中的目标 3 在模型树中选择 INLET LID 和 Pattern 5 of SCREWHOLE LID 4 右击选中的任意元件并选择 Resume 现在开始启动 FloEFD Pro 创创建建 FloEFD Pro 项项目目 1 点击 Flow Analysis Project Wizard 2 如果已经在向导状态 直接选择 Create new 以便创建一个新的配置 并且命名为 INLET FAN 点击 Next 现在我们将创建一个名为 USA Electronics 的新系统单位 这将更有助 于我们进行分析 3 在 Unit system 列表选择 USA 系统单位 选择 Create new 对工程数据增加一个新 的系统单位 称之为 USA Electronics FloEFD Pro 9 1 指南指南 2 3 FloEFD Pro 允许你使用预先定义好的系统单位 但通常 你可以自定义常用的系统单位以便于分析 无论是预定义 的系统单位还是自定义系统单位都被保存在 Engineering Database 中 你也可以在 Engineering Database 或 Wizard创建你所需要的系统单位 通过拉动 Parameter 树中的滚动条 你可以看到对所有 参数所设定的单位 尽管绝大多数的参数都有一个常用的 单位 诸如对于速度是 ft s 对于体积流是 CFM 每分 钟立方英尺 但是我们还是要改变一些对于这个模型而言更为方便分析的参数单位 由于模型的 几何参数比较小 所以用英寸来替代英尺来作为长度单位更合适 4 对于 Length 框 双击 Units 项并选择 Inch 5 接着展开 Parameter 树中的 Heat 组 为了我们更为方便的处理电子设备类问题 我们 将功率 和热流单位分别定义为 Watt 和 Watt 点击 Next 6 设置分析类型为 Internal 在 Physical Features 下勾选 Heat conduction in solids 选择固体导热是因为几个电子元器件产生热量 我们关注 这些热量是如何通过散热器和其他固体导热进行传递 直 至最后进入到流体中去的 点击 Next 7 展开 Gases 夹并且双击 Air 行 保持默认的 Flow Characteristics 点击 Next 第二章第二章 第一阶段第一阶段 耦合热交换耦合热交换 2 4 8 展开 Alloys 夹并且点击Steel Stainless 321作为 Default solid 在 Wizard 中你可以指定应用到 FloEFD Pro 项目中所 有固体元件的默认固体材料 想对一个或多个不同的元器 件指定不同的固体材料 你可以在项目创建完成之后对这 些元器件定义Solid Material 条件 点击 Next 9 选择 Heat transfer coefficient 作为默认的外表壁面 的热条件 Default outer wall thermal condition 定义换热系数 Heat transfer coefficient 值为5 5 W m 2 K 外部流体温度 External fluid temperature 值为 500F 输入的传热系数值自动转 成所选择的单位系统 USA Electronics 在 Wizard 中 Wall Conditions 对话框定义模型壁面默 认条件 如果 Heat conduction in solids 可行 Default outer wall thermal condition 参数允许仿真模型壁面外侧和周围环境间的热交换 案例中箱体置于空气温度 50 F 的空调房 热由于自然对流通过机箱外表壁极大地冷却机箱 点击 Next 尽管设置初始温度对于一段时间后温度到达某一确定值的瞬态分析而言是相当重要的 同样对 于设置一个与最终仿真结果值相近的初始值有助于加速迭代计算的收敛 在这个例子中 由于 设备处于室温下 所以我们设置初始的空气温度和不锈钢 描述了机壳 的温度为 50 F 10 设置初始流体 Temperature 和Initial solid temperature 为 50 F 点击 Next 11 接受 Result resolution 的默认值并且保持自动设 置 Minimum gap size 和 Minimum wall thickness FloEFD Pro 通过使用整个模型尺寸 计算域和指定了边 界条件和目标的面等信息来确定默认的最小间隙尺寸和最小壁面厚度 在开始计算之前 我们推 FloEFD Pro 9 1 指南指南 2 5 荐你检查一下最小间隙尺寸和最小壁面厚度 从而确保一些小的特征不会被忽略 我们会在所有 的边界条件和目标设定之后再来回顾一下这些方面 点击 Finish 现在 FloEFD Pro 利用赋值数据方式创建了一个新的例子 我们使用 FloEFD Pro分析树定义我们的分析 这种定义方式类似我们先前利用特性管理设计 树定义我们的模型 点击 FloEFD Pro 转换到 FloEFD Pro Analysis Tree 右击 Computational Domain 图标并选择 Hide从而隐藏求解域线框 定义风扇定义风扇 风机就是一种流动的边界条件 你可以在没有定义 Boundary Conditions 和 Sources 的固 体表面处来定义 Fans 你也可以在模型的入口或出口处人工的加一个盖子来定义风扇 你可以 在内部流动区域的面上定义内部风扇 风机被认为是体积流量 或质量流量 随着选定的进出口 面上压降不同而变化的理想装置 风机的体积流量与静压降的特性曲线来自 Engineering Database 如果你分析的模型中有风机 你必须知道这个风机的性能特性曲线 在这个例子中我们采用 Engineering Database 中一个预先定义的风机 如果你不能在数据库中找到一个合适的风机 特性曲线 你可以根据你风机的具体参数创建一个你自己的风机特性曲线 1 点击 Flow Analysis Ins ert Fan Fan 对话框出现 2 如图所示选择 INLET LID 的 内表面 访问 内表面 设置 Filter 为 Geometry 右 击 INLET LID 直到内表面突出 然后单击鼠标左键 3 选择 External Inlet Fan 作为风扇 type 4 点击 Browse 从 Engineering database 中选择风扇曲线 5 在 Fan 清单中 Pre Defined Axial 第二章第二章 第一阶段第一阶段 耦合热交换耦合热交换 2 6 Papst 中选择 Papst412 项 6 点击 OK 返回到 Fan 对话框 7 在 Settings 页扩展 Thermodynamic Parameters 项 检查 Ambient Pressure 是大气 压力 8 回到 Definition 页面 接受 Face Coordinate System 作 为 Coordinate System 当选择这个面作为应用边界条件或风机的面时 Face coordinate system会自动创建在这个 平面的中心 坐标系的X轴垂直于这个面 Face coordinate system 只有在一个平面被选 择的情况下才会被创建 9 接受 X 作为 Reference axis 10 点击 OK 新 Fans 文件夹和 External Inlet Fan 1 出现在 FloEFD Pro 分析树中 现在可以编辑 External Inlet Fan1 项或者使用 FloEFD Pro 分析树来增加一个新的风扇 直到最后一个这类特性被删除之 前 这个文件夹都会处于显示状态 也可以在分析树创建一个 特性文件夹 右击项目名并且选择 Customize Tree 增加或剔 除一个文件夹 由于盖子出口处是环境大气压 所以风机产生的静压等于气流 通过电子设备时候的压降 定义边界条件定义边界条件 除了开口处定义了风机之外 任何流体流经系统处都要定义边界条件 边界条件可以 以 Pressure Mass Flow Volume Flow 或 Velocity 形式定义 你也可以使用 Boundary Condition 对话框来定义 Ideal Wall 边界条件 这个边界条件可以是绝热 无摩擦壁面 或 定义 Real Wall 边界条件 这个边界条件可以设置壁面粗糙度或者温度以及模型表面的热交 换系数 对于具有内部固体导热的分析 你也可以通过定义一个 Outer Wall 边界条件来对 模型外壁面设置一个热特性边界条件 1 在 FloEFD Pro 分析树 右击 Boundary Conditions 图标并且选择 Insert FloEFD Pro 9 1 指南指南 2 7 Boundary Condition 2 如图所示选择所有出口盖子的内表面 3 选择Pressure openings 和 Environment Pressure 4 Settings 页保存默认设置 5 点击 OK 新的 Environment Pressure 1 项出现在 FloEFD Pro 分析树中 环境压力边界条件在流动出口处作为静压 在流动入口处作为总压 定义热源定义热源 1 点击 Flow Analysis Insert Volume Source 2 点击模型树 选择MAIN CHIP 作为应用体积 热源的元件 第二章第二章 第一阶段第一阶段 耦合热交换耦合热交换 2 8 3 选择 Heat Generation Rate 作为 Source 类型 4 在 Settings 页Heat generation rate 框中 输入 5W 5 点击 OK 6 在 FloEFD Pro 分析树中不连续双击新建的 VS Heat Generation Rate 1 项并且重新命 名为 Main Chip 体积热源允许你定义热耗率 W 或者单位体积热耗率 W m3 或者对于体积设定一个常温的 边界条件 另外也可以对表面热源定义热交换率 W 或者热流 W m2 7 在 FloEFD Pro 分析树中右击 Heat Sources 图标 并且选择 Insert Volume Source 8 在模型树中选择 Pattern 3 of CAPACITOR 项下 的所有 CAPACITOR 元件 9 Source type 中选择 Temperature 10 Settings 页在 Temperature 框中输入 100 F 11 点击 OK 12 不连续双击新建的 VS Temperature 1 项 重新 命名为 Capacitors 13 以下的步骤与上面相类似 设置所有 的以下这些体积热源 所有 PCB 板上的芯片 SMALL CHIP 具有总 热耗率 4 W POWER SUPPLY的 温度为 120 F FloEFD Pro 9 1 指南指南 2 9 14 重命名应用到芯片 Small Chips 的热源和电源 Power Supply 的功率 点击 File Save 创建新材料创建新材料 PCB 板是由多层环氧材料与金属导体交叉的层压材料制成 对于大多数层压材料 典型的 PCB 材料属性会根据方向的不同而表现出极大的不同 比如各向异性 工程库包含一些预定 义的带有各向异性热传导率的 PCB 材料 指南中 PCB 的各向异性热传导没有过多的影响到冷却性能 所以我们将创建一个在各个方向 具有相同热传导属性的 PCB 材料 以此学习如何在工程库中添加新材料 并将材料指定给元 件 1 点击 Flow Analysis Tools Engineering Database 2 在 Database tree 选择 Materials Solids User Defined 3 点击工具栏上的 New Item 空白 Item Properties 页出现 双击空白单元格来设置相应的特性 参数 4 按下列方式来定义材料特性 Name Tutorial PCB Comment Isotropic PCB Density 1120 kg m 3 Specific heat 1400 J kg K Conductivity type Isotropic Thermal conductivity 10 W m K Melting temperature 390K 我们需要添加新材料仿真热传导率以及其他芯片材料的热属性 5 转到 Items 页 点击工具栏处的 New Item 第二章第二章 第一阶段第一阶段 耦合热交换耦合热交换 2 10 6 指定芯片材料的属性 Name Tutorial component package Comment Component package Density 2000 kg m 3 Specific heat 120 J kg K Conductivity type Isotropic Thermal conductivity 0 4 W m K Melting temperature 1688 2 K 7 点击 Save 8 点击 File Exit 退出工程数据库 在输入材料特性时 你也可以通过在输入值后输入你想要的系统单位 FloEFD Pro 会自动的将 值转换成公制 你也可以用 Tables and Curves 页来定义材料特性随着温度变化 定义固体材料定义固体材料 Solid Materials 被用于定义组件中固体的材料 1 右击Solid Materials 图标并选择 Insert Solid Material 2 在模型树中选择 MOTHERBOARD 和两个 PCB 元件 3 点击 Browse 4 选择 Solids User Defined 项下的 Tutorial PCB 项 5 点击 OK 返回到 Solid Material 对话框 6 点击 OK 7 以下的步骤与上面相类似 设置以下固体材料 主片板和其它所有小芯片 指定为新的 Tutorial component package 材料 材料 在 User Defined 里面已经定义好了 FloEFD Pro 9 1 指南指南 2 11 以 Aluminum 作为材料的散热器 材料在 Pre Defined Metals 里面已经定义好了 以 Insulator 作为材料的盖子 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 里面已经定义好了 选择一个元件 点击模型树中或者图形区域的实际零件 8 改变每一个固体材料的名称 新的名称如下所示 PCB Tutorial PCB Chips Tutorial component package Heat Sink Aluminum Lids Insulator 点击 File Save 定义工程目标定义工程目标 定义体积目标定义体积目标 1 右击 Goals 图标并且选择 Insert Volume Goals 2 在 FloEFD Pro 分析树的 Small Chips 项 选择所有属于Small Chips 的的元件 3 在 Parameter 表格中 勾选 Temperature of Solid 行的 Max 4 接受勾选 Use for Conv Use for Convergence Control 用于控制目标 收敛 5 点击 OK 新的 VG Max Temperature of 第二章第二章 第一阶段第一阶段 耦合热交换耦合热交换 2 12 Solid 1 项出现在 FloEFD Pro 分析树中 6 改变新项的名称为 VG Small Chips Max Temperature 你也可以使用 Feature Properties 对话框来重命名 这个对话框可以 通过右击项目并选择 Properties 来打开 点击图形区域的任意地方 可放弃选择 7 右击 Goals 图标并且选择 Insert Volume Goals 8 选择特性管理设计树中的 Main Chip 9 在 Parameter 表格中 勾选 Temperature of Solid 行的 Max 10 点击 OK 11 重命名 VG Max Temperature of Solid 1 项 为 VG Chip Max Temperature 点击图形区域的任意地方 可以放弃选择 定定义义表表面面目目标标 1 右击 Goals 图标并且选择 Insert Surface Goals 2 点击External Inlet Fan 1 项选择应用目标的 表面 3 在Parameter 表格 在Static Pressure 行勾 选 Av 4 接受勾选 Use for Convergence Control 用于控制目标收敛 对于 X Y Z 分力和X Y Z 分扭矩表面目标 你可以在这些计算目标上选择坐标系 FloEFD Pro 9 1 指南指南 2 13 5 点击底部的 Inlet 并且从Name template 去除 6 点击 OK 新的 SG Inlet Av Static Pressure 目标出现 点击图形区域的任意地方 可以放弃 选择 7 右键点击 Goals 图标并且选择 Insert Surface Goals 8 点击 Environment Pressure 1 项 选择目标应用的面 9 在 Parameter 表格 勾选 Mass Flow Rate 行 10 接受选择 Use for Conv 作为用于控制收 敛 11 点击 Outlet 并且从 Name template 去 除 12 点击 OK SG Outlet Mass Flow Rate 目标出现 定义全局目标定义全局目标 1 右击 Goals 图标并且选择 Insert Global Goals 2 在 Parameter 表格 Static Pressure 和 Temperature of Fluid 行勾选 Av 并且接受选 择 Use for Conv 用于控制收 敛 第二章第二章 第一阶段第一阶段 耦合热交换耦合热交换 2 14 3 从 Name template 去除 并且点击 OK GG Av Static Pressure和 GG Av Temperature of Fluid 目标出现 在这个教程中 设置的工程目标用于确定发热元件的最 大温度 以及空气的温升 通过设备的压降和质量流量 点击 File Save 接着对这个项目定义的几何模型自动的进行检查 改变几何求解精度改变几何求解精度 1 点击 Flow Analysis Initial Mesh 2 勾选 Manual specification of the minimum gap size 3 由于最小流动通道的原因 输入 0 1 in 举例 这个通道处于散热器的翅片中间 当模型中有一些小的特征时 输入最小间隔尺寸和 最小壁面厚度是非常重要的 精确的设定这些值可 以确保网格划分时 这些小的几何特征不会被忽略 只有当小固体特征的两侧都存在流体网格时 才需 要定义最小壁面厚度 在内部分析的例子中 在设 备外部环境空间没有流体网格存在 因此在内部流 动和环境空间的边界处总是能够很好的求解 这就是为什么你不用考虑不锈钢机壳的壁面 无论 minimum gap size 还是 minimum wall thickness 都是帮助生成自适应网格从而获得精确结 果的有力工具 其中最小间隔尺寸的设置可以取得更为明显的效果 事实也确实如此 FloEFD Pro 9 1 指南指南 2 15 FloEFD Pro 是通过定义的最初网格精度控制每一个 minimum gap size 确定最小网格数的方 式来生成网格 这个数目等于或大于通过用 minimum wall thickness 生成的网格数 这就是 为什么 即便你的模型内部流动区域中有一个纤薄的固体特征 当它大于或等于最小间隙尺寸时 就不需要定义最小壁面尺寸 如果你想求解小于最小间隙的薄壁面 那么你必须定义最小壁面厚 度 点击 OK 求求解解 1 点击 Flow Analysis Solve Run 2 点击 Run 在普通的 PC 机上 这个求解的时间大约在 20 30 分钟 你可以注意到不同的目标到达收敛的迭代数目不 同 FloEFD Pro 这个面向目标的理念可以使 你使用更短的时间得到你所需要的结果 举例来说 如果仅仅对设备内部的流体温度感兴趣 FloEFD Pro 将会比要求所有参数都收敛 更快的提供仿真结果 观察目标观察目标 1 右击 Results 下Goals 图标并且选择 Insert 2 点击 Goals 对话框中 Add All 3 点击 OK 具有目标结果的 Excel 电子表格会打开 第一个电子表格将会显示目标概况 第二章第二章 第一阶段第一阶段 耦合热交换耦合热交换 2 16 你可以看到这个主芯片的温度是 88 F 小芯片的温度超过了 90 F 目标进程栏是目标收敛过程中性质和数量特性的显示 当 FloEFD Pro 分析目标收敛 它计 算了这个目标差量 这个差量是由上一次到这一次最大和最小目标值的差定义的 并且比较这 差量和目标收敛标准差量 这个目标收敛标准差量可以由你来指定之外 也可以由 FloEFD Pro 通过目标的物理参数在整个求解域上离散来自动确定 这个目标收敛差量标准与 分析间隔上目标真实差量的百分比显示在目标收敛过程条中 当目标真实差量等于或小于目 标收敛标准差量 这个过程条将变成 完成 相应的 如果目标真实差量振荡 这个过程条也 会振荡 此外 当一个棘手的问题被求解 可能会出现逆行 特别是从 完成 状态上 如果要 求的迭代计算步数已经完成或者在完成设定的迭代计算步数之前就达到目标收敛标准 则这个 计算就会完成 依据你的判断 你也可以定义其他的计算完成条件 更为详细的分析结果 我们可以使用功能强大的 FloEFD Pro 后处理工具 对于设备内部的 流体最好的观察方式是创建一个流动迹线图 流动迹线图流动迹线图 1 右击 Flow Trajectories 图标并选择 Insert 2 在 FloEFD Pro 分析树选择 External Inlet Fan1项 选择 INLET LID 内表面 3 设置 Number of trajectories 为 200 4 在 Start Points 群保留 Reference 如果 Reference 被选择 则迹线的起点在被定义的面上 5 在 Settings 页 设置 Draw trajectories as 为 Band 6 点击 View Settings 7 在 View Settings 对话框 将 Parameter 中的 Pressure 改为 FloEFD Pro 9 1 指南指南 2 17 Velocity 8 在 Flow Trajectories 页中确定 Use from contours 项被选择 这个设置定义了迹线的颜色 如果 Use from contours 被选择 则迹线的颜色将与 Contours 中定义的参数颜色分布相一致 我们例子中的参数是速度 如果你选择 Use fixed color 则所有流动迹线都将只有同一种 颜色 这个颜色可以在 Flow Trajectories 对话框的 Settings 进行定义 9 点击 OK 保存设置并且退出 View Settings 对话框 10 在 Flow Trajectories 对话框 中 点击 OK 新的 Flow Trajectories 1 项将出现在 FloEFD Pro 分析树中 可以看到下图 注意 只有少量的迹线与 PCB 板 相临近 这可能引起在 PCB 板上 的芯片无法得到很好的制冷 此外蓝 色迹线意味着PCB 前的流速比较低 右击 Flow Trajectories 1 项并且选择 Hide 点击图形区域的任意地方来放弃选择 让我们更为详细的分析速度的分布 切面云图切面云图 1 右击 Cut Plots 图标并且选择 Insert 第二章第二章 第一阶段第一阶段 耦合热交换耦合热交换 2 18 2 选择 ASM FRONT 平面作为截面平面 3 点击 View Settings 4 分别改变 Min 和 Max 值为 0 和 10 定义的整数值产生了一个彩色面板 以便于确定具体的值 5 设置 Number of colors 大约为 30 6 点击 OK 7 在 Cut Pl