13.1电子设备散热问题
本例进行了一个电子设备的内部流场计算,并考虑了固体的热传导问题。电子设备散热
模型如图13-1所示。
01打开SOLIDWORKS模型
打开“Enclosure Assembly.SLDASM’’,该文件位于“电子设备散热”文件夹内。
02修改模型
一般在做CFD分析时会忽略一些过于细节的特征,比如一些小零件结构或者是装配结构。
同样在进行SOLIDWORKS Flow Simulation分析之前,需要考察哪些特征是不需要的,并忽略
它。这样可以大量地节约计算资源和计算时间。本例以Fan作为Inlet lid的边界条件,而
风扇过于复杂,需要忽略它。
1在FeatureManager设计树中单击选中Screw组和Fan装配体,选择时需要按下Ctrl
键实现复选。
2在项目名称栏输入“Inlet Fan”,然后单击配置选项右侧的下拉框,选择“新建”,
乓他采用默认设置,创建新的配置。
3单击“下一步”按钮。
这里会创建名为USA Electronics的单位制系统。
4选择计算的单位制,本例选为USA。勾选“新建”,则在工程数据库中保存了一个新的
单位系统,命名为USA,如图13-4所示。
在SOLIDWORKS Flow Simulation中会创有一些预先定义好的单位系统,但是一般使用
自己的单位系统会更加方便。可以通过直接修改工程数据库或者在项目向导里的操作来创建
所需的单位系统。
5在长度类别里,单击“单位”单元,选择“英寸”作为长度的单位,如图13-5所示。
6在“参数选项中”单击打开“热量”组。将“动能”的单位改为“N·”,将“热通
量”的单位改为“W/㎡,如图13-6所示。
7单击“下一步”按钮。
8将分析类型’’设定为“内部”,且在“物理特征
”里面勾选“固体内热传导”,如图
13-7所示。
这里所关心的是热量从若干电子元器件里产生后,在设备空间里耗散的过程,所以勾选
了“固体内热传导”选项。
9单击“下一步”按钮。
10在流体树上单击打开“气体”选项,双击选择“空气’’。接受其默认值,如图13-8所示。
11单击“下一步”按钮。
12选择“合金一不锈钢321",对默认固体赋值,这样就完成了固体材料的定义,如图
13-9所示。
这里SOLIDWORKS Flow Simulation对所有的固体赋予了相同的材料属性。可以在创建
项目之后对不同的固体结构赋予不同的材料属性。
13单击“下一步”按钮。
14单击“下一步”按钮接受默认的壁面条件,如图13-10所示。
由于我们并不关心流体流经固壁的传热条件,所以我们选择接受绝热壁面,表明壁面是
绝热的。
可以自行定义壁面粗糙度值,表示为真实的壁面边界条件,其定义为粗糙峰的Rz值。
15由于初始值与最终的计算值越接近,计算时间就越短。这里我们根据常理做出判断,
将“热动力参数’’下的“温度”设置为50°F,将“固体参数”下的“初始固体温度’’设置为
50
°F,如图13-11所示。
16单击“下一步”按钮。
17“结果精度”的设置保持不动。自动设置“最小缝隙尺寸”和“最小壁面厚度”o
在求解之前,要考察自动生成的“最小缝隙尺寸’’和“最小壁面厚度”对求解区域的局
部特征是否有足够的分辨率。
18单击“完成”按钮,SOLIDWORKS Flow Simulation完成了一个新的配置的创建。
19在“计算域”节点单击右键,单击“隐藏”选项,隐藏计算区域的黑色线框。
04定义风扇
风扇( Fan)实际上是边界条件之一。可以在没有被边界条件和源相指定的固壁上设置。
可以在模型出口处创建的盖子(Lids)上创建风扇。也可以在流动区间内部设置风扇,这种
风扇叫内部风扇(Inernal FanS)o风扇是一种产生体积或者质量流动的理想设备,其性能依
赖于选定的流入面和流出面的静压差。在工程数据库里面定义了风扇性能曲线,曲线是体积
流动速率或者质量流动速率相对于静压差的函数。
一般在有风扇设置的求解问题里面需要知道风扇的性能。如果在工程数据库里面找不到
相应的风扇性能曲线,那就需要人为定义。
1单击菜单栏中的“工具”一“Flow Simulation (O)”一“插入”一“风扇,,o系统弹
出“风扇’’属性管理器。
2选择“外部入口风扇”作为“风扇”类型。
3选择Inlet Lid的内表面作为“流体流出风扇的面”o
4接受“全局坐标系”作为参考坐标系统(Coordinate System)o
5X方向作为参考轴。
6单击“风扇’’中的“预定义”,从数据库里面选择风机曲线。如图13-12所示。选405
选项,在“风机曲线’’“PAPST"‘‘DC-Axial"“Series 400"“405"选项。
7慢开“入口流动参数”,选择“旋转”形式。
8展开“角速度”的数值为10rad/s,接受“径向速度”的0 ft/s的默认数值。
在指定为漩涡流动(swirling flow)时,需要说明坐标系和坐标轴,从而说明了坐标
的圆点和漩涡的圆点重合,漩涡的方向矢量同参考轴的方向( Reference axiS)o
9展开“热动力参数”,确认“环境压力”是否为大气压力的数值。
10单击“确定”按钮
,则在SOLIDWORKS Flow Simulation分析树的“风扇”节点图
标下创建了一个名为“外部入口风扇1’’的风扇,如图13-13所示。
05定义边界条件
1在SOLIDWORKS Flow Simulation分析树,右击“边界条件”图标,如图13-14所示,
选择‘‘插入边界条件”
2选择全部流出盖子(outlet lids)的内侧面。
3单击“压力开口”图标
,以“压力开口”作为Basic set of boundary conditions,
并以“环境压力”作为边界条件的类型。设置如图13-15所示。
4惮击“确定”按钮,结束设置,“环境压力1"节点会出现在边界条件节点下。
06定义发热源
1单击菜单栏中的“工具”一“Flow Simulation (0)’’一“插入”一“体积热源”。
2在FeatureManager设计树中单击Main Chip作为该体积源的应用对象。
3“源类型”采取默认的“热功耗”
。
4在“热功耗”里输入5w,设置如图13-16所示。
5完成后,则在SOLIDWORKS Flow Simulation分析树的“热源”节点图标下创建了一
个名为“VS热功耗1”的发热源。直接单击,如图13-17所示,将其重新命名为Main Chip。
容积热源允许定义发热率(单位为W),容积发热率(单位为w/容积)或者容积恒温的
边界条件。可以用热传导率(W)来定义表面热源,亦可用热通量(w/面积)。
6在SOLIDWORKS Flow Simulation分析树的“热源”节点图标下右击,如图13-18所
示,选择‘‘插入体积热源”.
7在Feature Manager设计树中选择三个Capacitor。
9在“温度”下输入100°F,设置如图13-19所示。
10完成后,则在“热源,,节点图标下创建了一个名为“VS温度1”的图标。直接单击,
将其重新命名为Capacitors。
11按照同样的操作步骤,全部的Small Chip作为该体积源的应用对象,如图13-20所
示,源类型为“热功耗”,热功耗里输入4W:如图13-21所示,Power Supply作为该体积源
的应用对象,源类型为温度,在温度下输入120°F。
12芯片的热源重名命为Small Chips,电源的热源重新命名为Power Supply,如图13-22
所示。
13单击“文件”“保存”。
07创建新材料
芯片的材料是环氧树脂( Epoxy),但是SOLIDWORKS Flow Simulation的工程数据库里
没有这个材料,这里需要我们自己定义。
1单击“Flow Simulation”操控面板中的“工程数据库”按钮
,弹出“工程数据库”
对话框如图13-23所示。
2在“数据库树”里,单击打开“材料”节点,固体,用户定义,然后按下位于工具栏
3在项目属性里面设置物性参数如下:
08定义固体的材料属性
1单击菜单栏中的“工具”一“Flow Simulation (O)"一“插入”一“固体材料”,如
图13-24所示。
2在“Feature Manager设计树”中单击MotherBoard,PCB (1),PCB (2)作为定义材料
的应用对象。
3从数据库中选择所需的材料特性,如图13-25所示。
4点选固体节点下“用户定义”的Epoxy。
5单击“确定”按钮
6按照同样的方法,指定其他材料的属性。
chips=硅。
heat sink=铝。
4 Lids=绝缘材料。
这里有1个入口和3个出口的盖子。注意有两个出口盖子在“Feature Manager设计
树”的Derived Patternl节点下,结果如图13-26所示。
7单击“文件”“保存”。
09定义求解目标
这里要设置三种求解目标,分别为体积目标、壁面目标以及全局目标。
设置体积目标:
1右击SOLIDWORKS Flow Simulation分析树中的“目标”节点图标,如图13-27所示,
选择“插入体积目标”选项。
2单击SOLIDWORKS Flow Simulation分析树中的Small Chips节点图标。
3在参数表的温度(固体)行,选中最大值。另外注意“用于控制目标收敛,,已经被选
中,表明将会使用定义的求解目标用作收敛控制,如图13-28所示。
4单击“确定’’按钮
,在“目标”节点下面就新创建了名为“VG最大值温度(固体)
1"的节点。
5右击新生成的“VG最大值温度(固体)1”的节点图标,如图13-29胼示,单击“属
性”选项,重新命名为VG Small Chip最大值温度,如图13-30所示。
6右击SOLIDWORKS Flow Simulation分析树中的“目标,,节点图标,选择“插入体积
目标”选项。
7单击SOLIDWORKS Flow Simulation分析树中的Main Chips节点图标。
8在参数表的温度(固体)行,选中“最大值”,设置如图13-31所示。
9单击“确定”按钮
,重命名自动生成的“VG最大值温度(固体)1”节点为“VG Chip
最大值温度”。
设置壁面目标:
1右击SOLIDWORKS Flow Simulation分析树中的“目标”节点图标,如图13-32所示,
选择“插入表面目标”选项。
2点击SOLIDWORKS Flow Simulation分析树中的“外部入口风扇1"节点图标。
3在参数表的“静压”行,选中“平均值”。另外注意“用于控制目标收敛”已经被选
中,表明将会使用定义的求解目标用作收敛控制。
4从“名称模板”中移除<数字>字段,如图13-33所示。
5
单击,自动生成新的压力目标节点“SG平均值静压”。
6右击SOLIDWORKS Flow Simulation分析树中的“目标”节点图标,选择“插入表面
目标”选项。
7单击SOLIDWORKS Flow Simulation分析树中的“环境压力1"节点图标。
8在参数表中,选中“质量流量”o另外注意“用于控制目标收敛”已经被选中,表明
将会使用定义的求解目标用作收敛控制,如图13-34所示。
1右击SOLIDWORKS Flow Simulation分析树中的“目标”节点图标,如图13-35所示,
选择“插入全局目标”。
2在参数表的“静压”行,选中“平均值”:参数表的温度(流体)行,选中“平均值”。
另外注意“用于控制目标收敛”已经被选中,表明将会使用定义的求解目标用作收敛控制。
11求解计算
1单击“Flow Simulationg"操控面板中的“运行”按钮,单击“运行”。弹出“运行”
对话框,如图13-38所示。
2
采用默认设置,单击“运行”按钮。
图13-39所示为计算过程中不同变量的收敛速度。可以看出不同的求解目标具有不同的
收敛速度。如果只是关注某种目标的结果,则可以提前结束求解过程。
12查看求解目标的结果
这里可以查看之前预设置的求解目标的求解结果。并可以看到计算收敛的最后结果,这
样可以对计算结果有一个充分的判断。
1右击SOLIDWORKS Flow Simulation分析树中的“目标图”节点图标,如图13-40所
示,选择“插入”。
2在“目标图”属性管理器中在“目标过滤器”中选择“全部”o设置如图13-41所示。
3
单击“导出到Excel”
4生成一个Excel的表格,给出求解目标的计算结果,结果如图13-42所示。可以看到,
“main chips"的最高温度为102.78°F,“small chips”的最高温度为114. 12°F。
13流动轨迹图
1右击“流动迹线”图标,如图13-43所示,选择“插入”选项。
2在SOLIDWORKS Flow Simulation分析树中,单击“外部入口风扇l,,图标,这样就
选择了Inlet Lid零件的内侧壁面。
3将“点数”的数量改为200。
4在绘制迹线列表中,选择“导管”,尺寸采取默认。
5将参数从“静压”改为“速度”,如图13-44所示。
分析树里则出现新的名字为“流动迹线1"的图标。同时图13-45中显示出流动轨迹。
这里可以看出PCB (2)上只有几条流线,可能会存在散热不良的情况。
7右击“流动迹线1",如图13-46所示,选择“隐藏”选项。
14截面图
1单击“截面图”图标,如图13-47所示,选择“插入”选项。
2以Front平面作为截面的位置。
3将“级别数”设定为30,如图13-48所示。
4在“切面图”属性管理器中单击“确定”按钮,则在SOLIDWORKS Flow Simulation分
析树出现了“切面图1”图标。
5以“上视图’’的方式显示流场图。可以看到风扇附近和出口处的高速区以及PCB和电
容附近的低速区域。图13-49所示为显示的温度场。
6双击视图左侧的颜色图标,则显示“刻度标尺”属性栏。
7将参数从“速度”改为“温度”。
8
将最小值设置为50下,最大值设置为120°F,如图13-50所示。
9单击“确定”按钮
10右击“切面图1”,如图13-51所示,单击“编辑定义”选项。
11单击“矢量”选项,将“偏移位置”设置为-0.2 in,如图13-52所示。
12将“间距”设置为0.18in,“箭头大小”改为0.2 in,最大值为1 ft/s,如图13-52
所示。
13单击“确定”按钮
,。结果显示的温度场如图13-53所示。
14观察计算结果后,右击“切面图”,左键单击“隐藏”
可以看出,矢量箭头越大的地方温度低,矢量箭头小的地方温度较高。因为矢量箭头本
身代表着流场速度的大小。速度高的地方,散热好,温度自然较低。
15壁面温度图
1右击“表面图”图标,如图13-54所示,选择“插入”选项。
2按住Ctrl键,在SOLIDWORKS Flow Simulation分析树中复选“铝固体材料l”节
点和“硅固体材料1’’节点,这样作为表面的应用对象。
3单击“确定”按钮
。
4重复1.2步骤,选择Power Supply和Capacitors选项,单击“确定”按钮
,如
图13-55所示,生成壁面温度图,如图13-56所示。
可以看出,在电路板上的不同颗粒的散热分布情况,后排远离风扇位置的芯片颗粒的温
度明显高于接近风扇位置处的芯片颗粒。