趙惇殳-電子設(shè)備熱控制技術(shù)

admin 2011-08-27

計算機輔助熱分析
?數(shù)值傳熱學(xué)，數(shù)值流體力學(xué)
?數(shù)值計算方法
?建模技術(shù)
?程序設(shè)計
導(dǎo)熱的數(shù)值分析
有限元素法(變分原理)
有限差分法(溫度連續(xù)分布問題轉(zhuǎn)化為離散點的問題,用差商去代替微商)
有限差分法求解步驟
（2）討論與該差分格式對應(yīng)的線性代數(shù)方程解的唯一性
（3）求解代數(shù)方程組，得到區(qū)域內(nèi)的溫度分布(確立差分格式是關(guān)鍵,通過區(qū)域離散化,建立區(qū)域差分方程和邊界條件的差分形式,構(gòu)建差分格式,求解線性代數(shù)方程,得到各節(jié)點的溫度,節(jié)點數(shù)越多,精度越高)
（1）構(gòu)成差分格式有限元素法求解步驟
（2）寫出單元的泛函表達式
（3）構(gòu)造每個單元內(nèi)的插值函數(shù)
（1）區(qū)域離散化
（5）構(gòu)成代數(shù)方程組
（6）求解代數(shù)方程組
（4）求泛函極值條件的代數(shù)方程表達式

對流換熱的數(shù)值計算
連續(xù)方程能量方程動量方程
輸入及數(shù)據(jù)維護模塊
輸入與數(shù)據(jù)維護模塊的主要功能是讀入用戶輸入的設(shè)備結(jié)構(gòu)描述數(shù)據(jù)和必要的邊界件，為網(wǎng)格劃分及后面的數(shù)值計算模型作準(zhǔn)備。可采用菜單方式，也可結(jié)合一些圖形說明，增強直觀操作性。模塊由總體參數(shù)描述和邊界參數(shù)描述兩部分組成。

網(wǎng)格生成及顯示模塊
在速度場和溫度場的分布計算中，網(wǎng)格劃分是一項重要且仔細的工作。在常見的復(fù)雜區(qū)域中，各個過渡區(qū)域及邊界處所采用的網(wǎng)格劃分方法，對計算程序的編制、計算過程的復(fù)雜性和計算精度都有很大的影響。
在程序設(shè)計中，可以用自動網(wǎng)格生成的或手工劃分網(wǎng)格。自動網(wǎng)格劃分的基本思路是在保證網(wǎng)格內(nèi)的物性參數(shù)相同的情況下，區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格盡量均勻化。
數(shù)值計算模塊
數(shù)值計算模塊是熱分析的核心模塊，包括計算傳熱學(xué)中所論述的各種計算方法，包括速度場、溫度場的計算程序，也包括研究分析對象的區(qū)域劃分及邊界條件的處理程序等。可采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計技術(shù)。
結(jié)果輸出及顯示模塊
數(shù)值計算結(jié)果輸出最直接的方式是將求解變量節(jié)點的值以文本文件的形式輸出。但當(dāng)計算的數(shù)很大時，其輸出的數(shù)據(jù)量也隨之增加，顯得繁雜且不方便。比較好的輸出方式，可以將計算結(jié)果以圖形化的形式顯示出來。可以直接調(diào)用相應(yīng)的商品軟件，就能顯示計算結(jié)果。

ICEPAK軟件仿真實例
例：在一個機柜里有5個高功率的設(shè)備（密封在一個腔體內(nèi)），一塊基板，10個肋片散熱器，三個風(fēng)扇s, 和一個自由開孔，如圖10-7所示。散熱器和基板用鋁型材，每個風(fēng)扇質(zhì)量流量為0.01kg/s，每個熱源為33W。根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，當(dāng)環(huán)境溫度為20℃時，設(shè)備的基座不能超過65℃。

解：
仿真分析過程如下：
a. 創(chuàng)建工程項目
用戶新建一個工程項目，Icepak會生成一個缺省的機柜，尺寸為1 m ′1 m′1 m。
建立仿真模型
定義機柜結(jié)構(gòu)尺寸。
該機柜尺寸為0.1 m ′0.25 m ′0.356 m，位置保持在（－0.025,0,0）。
定義基板尺寸。
該基板0.006m 厚，將機柜分成兩個區(qū)域：設(shè)備一面和散熱器肋片一面。基板尺寸設(shè)定為X＝0.006m，Y＝0.25m，Z＝0.356m，位置保持在（0,0,0）。
建立自由開孔。
該矩形孔位于機柜前部，尺寸設(shè)定為X＝0.069m，Y＝0.25m，Z＝0.0m，位置保持在（0.006,0,0.356）。
建立風(fēng)扇。
風(fēng)扇位于機柜后部，共有3個風(fēng)扇，風(fēng)扇外徑0.03m，內(nèi)徑0.01m，風(fēng)扇類型為軸流風(fēng)機，質(zhì)量流量為0.01kg/s 。第一個風(fēng)扇位置保持在
（0.04,0.0475,0），其余沿著Y方向偏移0.0775m 復(fù)制建立功率熱源器件。
器件位于基板正面上，共有5個，每個功率33W，尺寸大小為0.02m′0.007m，第一個器件位置保持在（0,0.0315,0.1805），其余沿著Y方向偏移0.045m 復(fù)制。
建立散熱器。
散熱器位于基板背面上，散熱器肋片材料為鋁型材，大小為0.069m′0.281m，厚度為0.0025m，共10片。第一個肋片位置保持在（0.006,0.0375,0.05），其余沿著Y方向偏移0.025m 復(fù)制。
建立密封腔體
該腔體用來密封5個高功率器件，其大小為0.025m′0.25m′0.365m，共5個壁面，每個壁面設(shè)置傳熱系數(shù)為15W/m . ℃。
ICEPAK建立的模型如圖10-8所示。
網(wǎng)格劃分
ICEPAK是通過2步來生成網(wǎng)格。首先生成粗網(wǎng)格并檢查網(wǎng)格來確認(rèn)什么地方的網(wǎng)格需要細化. 然后進行細化網(wǎng)格。
粗網(wǎng)格生成。
如圖10-9所示，在Mesh control 面板里, 選擇Coarse. Icepak 就會將網(wǎng)格設(shè)置改變?yōu)榇志W(wǎng)格的設(shè)置，設(shè)置Max X size to 0.01, the Max Y size to 0.01, the MaxZ size to 0.02。可以設(shè)置觀測點來檢查生成的網(wǎng)格，如圖10-10a所示顯示垂直肋片平面粗網(wǎng)格。
細化網(wǎng)格
檢查可以發(fā)現(xiàn)散熱器肋片中的網(wǎng)格太大，不足以解決該問題。根據(jù)需要將所有散熱器肋片外圍的每一層網(wǎng)格的高度細化到0.004mm。細化網(wǎng)格圖形如圖10-10b所示。
選擇求解模型
Icepak軟件提供有層流/紊流模型、混合長度方程（0-方程）,雙方程(標(biāo)準(zhǔn)- 方程), R G -, 增強雙方程(標(biāo)準(zhǔn)- 帶有增強壁面處理), 或Spalart-Allmaras 紊流模型供用戶進行選擇，可進行穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)分析、強迫對流/自然對流/混合對流分析、流固耦合分析和熱輻射分析。本實例通過估算雷諾數(shù)和貝克利數(shù)確定采用紊流模型。
e. 求解計算
在完成上述工作后，點擊啟動求解器，Icepak將開始求解，一個新的窗口將會出現(xiàn)。它顯示了計算的殘差。Icepak 也會打開Mo itor 窗口，來顯示收斂過程。求解完成后，殘差曲線如圖所示。
f. 結(jié)果分析
顯示速度向量切面
如圖所示顯示沿著散熱器肋片切面的速度分布，可以看出在風(fēng)扇葉片的位置氣流速度高. 最低速度出現(xiàn)在翅片與壁面之間.
顯示溫度分布圖如圖所示顯示沿著散熱器肋片切面的溫度分布圖，可以看出最高溫度出現(xiàn)在散熱器肋片的中部，風(fēng)道下游溫度高于上游。
顯示速度向量及壓力分布圖
圖10-14顯示出壓力分布圖及速度向量圖，圖中顯示出高壓力區(qū)在風(fēng)扇的下游，局部最大值出現(xiàn)在肋片上游的頂部.
用溫度的顏色來顯示腔體區(qū)域的速度向量
圖10-15顯示了在熱源腔體內(nèi)有一個大的對流，空氣溫度在風(fēng)扇一側(cè)下降，在熱源位置上升，最高溫度出現(xiàn)在最上面的熱源。
顯示5個熱源的溫度分布圖
圖10-16顯示了5個熱源的溫度分布圖。幾個熱源的溫度分布比較相似，中心溫度高，四周溫度低，中間的那個熱源溫度比較高。
頂部和底部的熱源溫度分布接近。
顯示基板的溫度分布圖
圖10-17顯示出背板溫度分布圖。可以看出溫度熱點在熱源的附件。最高溫度出現(xiàn)在三個中間的熱源周圍。
通過后處理直觀顯示分析，基板最高溫度為52.3℃,說明所設(shè)計的散熱器足可以滿足冷卻要求。

計算機輔助熱分析
國外計算機輔助熱分析
(THEBES,FLOTHERM,FLUE T,A SYS,FLOTRA ,FIDAP/ICPAK,
ESC,PHOE ICS,HOTBOX,TMG, ATA ,CATS,CFX4,STAD-D等)
國內(nèi)計算機輔助熱分析
原電子部成立了熱分析軟件應(yīng)用總體組,負責(zé)電子設(shè)備計算機輔助熱分析的研究工作,雷達結(jié)構(gòu)熱分析,專用芯片熱設(shè)計,MCM熱分析,導(dǎo)熱模
塊熱分析,電子機箱熱分析,散熱器優(yōu)化設(shè)計等.

商用軟件性能比較
THEBES,FLOTHERM,PHOE ICS
HOTBOX,FLU T,FLOTRA ,FIDAP/ICEP
AK,CFX4,STAR-CD.
數(shù)值特性
計算功能
計算誤差

航天電子設(shè)備的熱設(shè)計
1.空間環(huán)境與航天器的熱平衡
2.航天器的被動熱控制技術(shù)
3.航天器的主動熱控制技術(shù)
4.航天器的熱設(shè)計

空間環(huán)境
宇宙真空和低溫
太陽輻射
地球大氣層
地球-大氣層的熱輻射
航天器的被動熱控制技術(shù)
熱控制涂層
隔熱技術(shù)(多層)
相變熱控制技術(shù)(相變制冷)
熱管技術(shù)
其他被動熱控制技術(shù)
航天器的主動熱控制技術(shù)(1)
1.輻射式主動熱控制方法
熱控百葉窗熱控轉(zhuǎn)動盤
2.傳導(dǎo)式主動熱控制方法
接觸式熱開關(guān) 可控?zé)峁?br /> 3.對流主動熱控制方法(氣體與液體)
4.熱電熱控制方法
熱電調(diào)溫熱電制冷
5.航天器制冷方法
航天器的熱設(shè)計
熱設(shè)計的任務(wù)與原則
系統(tǒng)方案設(shè)計
熱設(shè)計中的問題
內(nèi)熱源
太陽能電池的熱控制