半导体照明散热设计与分析教材(PPT 37页).ppt

2020/6/13,1,半导体照明散热设计与分析(实验部分),天津工业大学主讲人：张建新4D408,2020/6/13,2,实验课程概况,项目1：实验平台的基本原理与功能操作项目2：翅片散热器的设计与分析实验项目3：热辐射块和板的设计与分析实验项目4：热分布的瞬态分析实验项目5：LED投光灯的散热设计与分析实验,2020/6/13,3,本次实验的主要内容,项目1：实验平台的基本原理与功能操作一、计算流体力学（CFD）概述二、CFD数值模拟的总体工作步骤三、CFD求解过程四、常用的商用热分析软件五、Icepak软件简介六、Icepak软件的基本操作七、单颗LED模块散热仿真的操作演示,2020/6/13,4,一、计算流体力学（CFD）概述,1、CFD定义：通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和传热等相关物理现象的系统所做的分析。2、CFD的应用：单纯流体的场域计算空气水体流体参与传热的场域计算散热（环境级、系统级、电路板级、元件级）,2020/6/13,5,2020/6/13,6,3、CFD的基本思想把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场（如：速度场、温度场、压力场等），用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。散热过程的CFD方法，实质上就是：散热CFD=流体力学+传热学+数值分析,2020/6/13,7,2020/6/13,8,4、热分析的基本方法及其对比,构成了热分析的完整体系,2020/6/13,9,二、CFD数值模拟的总体工作步骤,1、建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型：(CFD方法解决问题的出发点)2、寻求高效率、高准确度的计算方法：(CFD方法的核心)3、编制功能程序和进行计算：(花费时间最多)4、显示计算结果：(检查和分析模拟质量),2020/6/13,10,三、CFD求解过程,计算二维空间内无热源的稳态传导换热情况下的数值解。假设计算区域为正方形，边长=4mm，左侧、右侧和下侧边界温度为0K，上侧边界温度为1K。,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),(1)建立控制方程,能量守恒方程：（包含三维、源项、时间项）,质量守恒方程：（包含三维、时间项）,质量守恒的能量守恒方程：（二维、无时间项、无源项）,2020/6/13,11,计算二维空间内无热源的稳态传导换热情况下的数值解。假设计算区域为正方形，边长=4mm，左侧、右侧和下侧边界温度为0K，上侧边界温度为1K。,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),(2)确立初始条件及边界条件,初始条件：因无时间项，所以可不设定初始条件。,边界条件：,(3)划分计算网格，生成计算节点,划分网格：采用“差分格式”离散成均匀网格，网格步长=1mm,节点编号：用(i,j)坐标表示每一个节点，i=1,2,3,4,5;j=1,2,3,4,5.,三、CFD求解过程,2020/6/13,12,三、CFD求解过程,计算二维空间内无热源的稳态传导换热情况下的数值解。假设计算区域为正方形，边长=4mm，左侧、右侧和下侧边界温度为0K，上侧边界温度为1K。,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),(4)建立离散方程,内节点的差分离散方程,无初始条件，所以无需离散,(5)离散初始条件和边界条件,边界节点的差分离散方程,2020/6/13,13,三、CFD求解过程,计算二维空间内无热源的稳态传导换热情况下的数值解。假设计算区域为正方形，边长=4mm，左侧、右侧和下侧边界温度为0K，上侧边界温度为1K。,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),(6)给定求解控制参数,将步骤(4)(5)所得的待求解方程组写成矩阵形式：,该系数矩阵为满秩，则方程组有唯一解，其解肯定收敛，无需给定控制参数。(若存在对流项，则必须给定控制参数),2020/6/13,14,三、CFD求解过程,计算二维空间内无热源的稳态传导换热情况下的数值解。假设计算区域为正方形，边长=4mm，左侧、右侧和下侧边界温度为0K，上侧边界温度为1K。,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),(7)求解离散方程,该方程组往往都很大，采用的方法可分为两大类：直接解法和迭代解法。其中迭代解法占内存较小，有利于用小机器求解大问题，因此商用软件往往采用迭代解法。,2020/6/13,15,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),Icepak中的残差分析：认定三种守恒方程（质量守恒、能量守恒、动量守恒）的迭代残差都小于110-3，且监控点温度趋于平衡时，可以认为求解结果收敛。,三、CFD求解过程,(8)解收敛否,2020/6/13,16,流线图,等值曲线图,矢量图,云图,2020/6/13,17,四、常用的商用热分析软件,1、软件分类通用热分析软件：并不是根据电子设备特点而编制的，但可用于电子设备热分析。如：Flotrn、Algor、Ansys等。专用电子设备热分析软件：专门针对电子设备特点而开发，具有较大的灵活性。如：BETAsoft、Coolit、Flotherm、Icepak、Qfin、QLED等。2、软件的基本架构,2020/6/13,18,五、Icepak软件简介,1、软件公司的发展Fluent公司致力于为用户提供流动模拟及热分析的仿真软件及服务，使用户大大改进设计，缩短设计时间，从而具有强大的核心竞争力和优势。,2020/6/13,19,2、Fluent公司的软件品种FLUENT6基于CFD的有限体积法，适用于可压/不可压流，层流/湍流,包括化学反应和多相流。FIDAP基于CFD的有限元法,适用于不可压/可压流，层流/湍流,包括牛顿流体/非牛顿流体,自由界面和流体结构接触面的相互作用POLYFLOW基于CFD的有限元法,适用于模拟高粘性流动(如流变流体)和表面流动MixSim模拟混合过程的专业软件Icepak热管理和电子仪器散热分析的专业软件Airpak热管理和电子仪器散热分析的专业软件,2020/6/13,20,3、Icepak是一种基于对象建模的软件Icepak允许以下方式建模:主体对象:如块(blocks),板(plates),风扇(fans),通风口(vents),阻尼(resistance)等。宏:如IC封装,PCBs,辐射散热器,详细风扇曲线。,2020/6/13,21,4、Icepak的仿真能力稳态/瞬态问题层流/湍流模型强迫对流/自然对流/混合对流多流体问题内/外流分析耦合传热辐射固定边界条件/动边界条件/对称边界条件依赖于时间的特性,2020/6/13,22,强大的网格生成:连续非结构网格结构网格非连续非结构网格求解器特点:参数化并行处理网格间插值Zoom-in建模其它功能:灵活的单位定义用户自定义封装库从MCAD/ECAD文件导入ProE-Icepak界面先进的后处理和生成报告的功能,2020/6/13,23,六、Icepak软件的基本操作,1、怎样启动IcepakWindows:点击桌面上的快捷键“Icepak4.3.10”在开始菜单点击Programs/Fluent.Inc/Icepak4.0UNIX:从系统命令行中输入“icepak”,2020/6/13,24,2、启动界面Icepak启动后,自动弹出New/existing面板,2020/6/13,25,3、创建新工程在New/Existing面板中点击New打开Newproject面板,2020/6/13,26,4、打开已有工程在New/Existing面板中点击Existing打开Openprojectwindow面板,2020/6/13,27,5、Icepak的文件结构每个Icepak工程都是由包含路径的工程文件组成工程名=路径名文件种类包括:问题设置文件-JOB,MODEL和PROBLEM文件网格文件求解文件后处理/报告文件其中Job,Model和Problem文件是重建工程必须要有的文件。,2020/6/13,28,6、压缩/解压工程在New/Existing面板中点击Unpack打开Fileselection面板只有job,model和problem文件被压缩压缩格式为*.tzrFilePack进行压缩操作FileUnpack进行解压操作,2020/6/13,29,7、用户图形界面,2020/6/13,30,8、Icepak建模对象的简单介绍,2020/6/13,31,9、模型工具栏：创建对象,2020/6/13,32,10、模型工具栏：编辑和对齐功能,2020/6/13,33,11、快捷工具栏,2020/6/13,34,12、模型树,2020/6/13,35,13、鼠标功能,2020/6/13,36,七、单颗LED模块散热仿真的操作演示,1.创建并保存一个名为Example1的Icepak项目，在其中建立如下图描述的一个简单散热模块，并根据基本设置条件以及采用默认的非结构网格形式划分后，计算显示其所有结构体