数值模拟方法的应用

数值模拟方法的应用报告人梁雪杰报告时间FridayMay7,2010FocuslightConfidential西安炬光科技有限公司保密资料目录数值模拟方法的特点数值模拟方法在工业及工程中的应用数值模拟常规流程热分析的应用数值模拟方法的特点数值计算是将描述物理现象的偏微分方程在一定的网格系统内离散，用网格节点处的场变量值近似描述微分方程中各项所表示的数学关系，按一定的物理定律或数学原理构造与微分方程相关的离散代数方程组。引入边界条件后求解离散代数方程组，得到网格节点处的场变量分布，用这一离散的场变量分布近似代替原微分方程的解析解。数值模拟方法的特点理论研究方法物理模型→物理基本定律→求解数学方程→分析和揭示本质和规律实验方法相似理论→模型实验装置数值方法计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之一数值模拟方法的特点理论分析成本最低结果最理想影响因素表达清楚缺点：局限于非常简单的问题实验方法可靠成本高缺点：受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有时可能通过实验无法得到结果。另外实验中还会遇到经费投入，人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。数值方法成本较低适用范围宽缺点：表达困难，受到湍流模型、计算资源等的限制，也不是万能的。

将三种方法有机结合，互为补充，必然会取得相得益彰的效果近几十年来，随着计算机性能的不断提高和计算流体力学的飞速发展，用数值模拟的方法对问题的分析研究取得了重大的进展，特别是对数学分析方法难于处理的复杂边界问题及（或）复杂几何造型问题，以及对模型实验方法求解代价过高的问题，数值模拟被证明是一种有效地解决问题的手段。通过数值模拟的方法，可以减少设计成本，降低设计风险，缩短设计周期。数值模拟方法在工业及工程中的应用Ansys软件：数值模拟方法在工业及工程中的应用Ansys-CFX（流体方面的应用）：

水轮机、风机和泵等流体机械内部的流体流动飞机和航天飞机等飞行器的设计汽车流线外型对性能的影响风载荷对高层建筑物稳定性及结构性能的影响温室及室内的空气流动及环境分析电子元器件的冷却换热器性能分析及换热器片形状的选取河流中污染物的扩散汽车尾气对街道环境的污染食品中细菌的运移2025/8/281011数值模拟方法在工业及工程中的应用Airpak软件

Airpak软件主要是用于建筑业，环境等的系统分析软件。它可以精确地模拟所研究对象内的空气流动、传热和污染等物理现象；可以准确地模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题，并依照ISO标准提供舒适度等衡量室内空气质量的技术指标。自然通风airvelocityvectorstemperaturecontourspathlinescoloredbytemperature强制通风particletracescoloredbytemperatureCourtesyofMcCracken&Lopez,P.A.辐射室内热辐射太阳辐射数值模拟方法在工业及工程中的应用ICEPAK软件：电子热分析工具，可以解决包扩封装,组件,板和系统级别的热分析问题强迫对流、自然对流、混合对流辐射，传导内流、外流PCB布线层和过孔温度相关问题布线对温度分布的影响数值模拟方法在工业及工程中的应用AnsysEMAG软件：专业的电磁场分析软件多场耦合分析：耦合可用于分析设备中由于电流发热或电磁感应所引起的结构温升，与AnsysCFD耦合可用于设备的发热和散热分析，可考虑电磁材料属性的温度特性，所得温度结果可进一步用于结构热应力分析。前处理/Pre-Possessing求解器/Solver后处理/Post-Possessing建立物理几何模型网格生成物理模型-流动,-热辐射,…..初始条件边界条件材料性质电脑数值计算結果显示数值模拟的常规流程热分析的应用热传递的方式：传导：两个接触良好的物体之间的能量交换或一个物体内由于温度梯度引起的内部能量交换，遵循傅里叶定律。对流：在物体和周围介质（流体）之间发生的热交换。用牛顿冷却方程描述。辐射：一个物体或两个物体之间通过电磁波进行的能量交换，符合波尔兹曼方程。WCSCOOLER结构简介WCSCOOLER结构简介：

WCSCOOLER长度为27mm，宽度为10.8mm，厚度为5.1mm，上面放一功率为80w的minibar。系统采用水冷的冷却方式。初始方案初始方案的模型图(直径为2mm的圆形水流道)底部进水底部出水Minibar初始方案的网格图初始方案的网格图流量：0.4l/min流量为0.4l/min时的温度分布图流量：0.4l/min流量为0.4l/min时的进出口压力布图流量：0.4l/min流量为0.4l/min时的流速图从以上的计算结果图可以看出，水流道转接处易产生漩涡，不利于水的流动，对巴条温度的冷却效果不好，最高温度达到了78℃，为了检验水流流量对巴条冷却效果的影响，又分别对流量为0.5l/min、0.6l/min、0.7l/min和0.8l/min的情况进行了计算。流量：0.5l/min流量为0.5l/min时的温度分布图流量：0.5l/min流量为0.5l/min时的进出口压力布图流量：0.5l/min流量为0.5l/min时的流速图流量：0.6l/min流量为0.6l/min时的温度分布图流量：0.6l/min流量为0.6l/min时的进出口压力布图流量：0.6l/min流量为0.6l/min时的流速图流量为0.7l/min：流量：0.7l/min流量为0.7l/min时的温度分布图流量：0.7l/min流量为0.7l/min时的进出口压力布图流量：0.7l/min流量为0.7l/min时的流速图流量：0.8l/min流量为0.9l/min时的温度分布图流量：0.8l/min流量为0.8l/min时的进出口压力布图流量：0.8l/min流量为0.8l/min时的流速图由以上计算结果可以看出，流量（流速）越大散热效果越好，但进出水压力相应的也增大。热阻，进出水压力差随流量的关系曲线结果分析结果分析Q(L/min)0.40.50.60.70.8Rth(K/W)0.660.610.570.540.49Tmax(℃)7873.770.66864.5p(MPa)0.150.230.340.460.76不同流量下热阻，最高温度，进出水压力差值改进方案一的模型图改进方案一在初始方案的基础上，把进出水时易产生回流的段去掉，同时把截面改为2mmx2mm的方形。为了增加与水的接触面积，在巴条下方水流流道处增加了几个突台，同时也增加了此处的水流速度。流量：0.4l/min流量为0.4/min时的温度分布图与初始方案相比，最高温度降低。流量为0.4/min时的进出水压力分布图此方案水流流道截面面积稍大，流速稍小，，但由于巴条下方的凸台的影响，此处的流速稍大，散热效果稍有改善，但仍不理想。流量为0.4/min时的速度分布图一个进水通道，两个出水通道，通道截面为1mmX1mm，但总厚度还是5.1mm。改进方案二（两出水流道）流量为0.4/min时的温度分布图流量为0.4/min时的进出水压力分布图此方案的散热效果稍好，但是总体厚度为5.1mm，稍厚，不利于发光。流量为0.4/min时的流速分布图上下两层通道的：通道截面为1mmx0.9mm，中间有一厚度为0.3mm的隔层，结构的总厚度为4.5mm。改进方案三（分层结构）层结构示意图流量为0.4/min时的温度分布图上下两层通道，前端通道截面为0.6mmx0.6mm，但每层有六个通道，出水通道截面为1mmx0.6mm，结构的总厚度为2.7mm。改进方案四（分层结构）流量为0.4/min时的温度分布图流量为0.4/min时的进出水压力分布图流量为0.4/min时的流速分布图改进方案四中，热阻、压降随流量的变化关系：热阻、进出水压差随流量的变化曲线结果分析不同流量下热阻，最高温度，进出水压力差值Q(L/min)0.40.50.60.70.8Rth(K/W)0.540