Flow Simulation流体分析基础教程—耦合热交换(二)

创建一种新的材料 PCB 板是由环氧材料制成,但 EFD.Lab 数据库中没有预先定义环氧材料,所以需要我们自己创建。

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 = Epoxy,

Comment = Epoxy Resin,

Density = 1120 kg/m^3,

Specific heat = 1400 J/(kg*K),

Conductivity type = Isotropic

Thermal conductivity = 0.2 W/(m*K),

Melting temperature = 600 K。

5. 点击 Save 。

6. 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,EFD.Lab 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

Solid Materials 被用于定义组件中固体的材料。

1. 在EFD.Lab分析树中右击 Solid Materials 图标并选择 Insert Solid Material。

2. 在特性管理设计树中选择MotherBoard,PCB<1>,PCB<2> 元件。

3. 选择 Solids,User Defined 项下的Epoxy 项。

4. 点击 OK 。

5. 以下的步骤与上面相类似,设置以下固体材料: 以 Silicon 构成的主要芯片和小芯片。以 Aluminum作为材料的散热器,以 Insulator 作为材料的盖子(Inlet Lid和 Outlet Lids) 。这些固体材料都可以从 Pre-Defined 材料列表中选取。注意出口处的盖子可以在特性管理设计树 pattern(DerivedLPattern1) 下找到。另外你也可以点击图形区域的实际零件。

6. 改变每一个固体材料的名称。新的名称如下所示:

PCB - Epoxy,

Chips - Silicon,

Heat Sink - Aluminum,

Lids – Insulator。

点击 File,Save。

定义工程目标

定义体积目标

1. 右击 Goals 图标并且选择 Insert Volume Goals。

2. 选择特性管理设计树中所有 Small Chip 元件。

3. 在 Parameter 表格中,勾选 Temperature of Solid 行的 Max。

4. 接受勾选 Use for Conv ,用于控制目标收敛。

5. 点击 OK。新的 VG Max Temperature of Solid 1 项出现在 EFD.Lab 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,以便放弃选择。

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,以便放弃选择。

定义表面目标

1. 右击 Goals 图标并且选择 Insert Surface Goals。

2. 点击EFD.Lab 分析树页并且点击 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 Conv作为用于控制收敛。

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。

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。

7. 右点 Goals 图标并且选择 Insert Surface Goals。

8. 点击EFD.Lab 分析树页并且点击 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

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。

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

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0.15 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, EFD.Lab 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10-20分钟。

你可以注意到不同的目标到达收敛的迭代数目不同。 EFD.Lab 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, EFD.Lab 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

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。

你可以看到这个主芯片的温度是 98 °F,小芯片的温度超过了 108 °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 EFD.Lab 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 EFD.Lab 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 EFD.Lab 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

1. 右击 Flow Trajectories 图标并选择 Insert。

2. 在 EFD.Lab 分析树选择 External Inlet Fan1项,其目的是选择 Inlet Lid 内表面。

3. 设置 Number of trajectories 为 200。

4. 在 Settings 页,设置 Draw trajectories as 为 Band 。

5. 保持 Start points from 下拉框 Reference。

如果 Reference 被选择,则迹线的起点在被定义的面上。

6. 点击 View Settings。

7. 在 View Settings 对话框中,将Parameter 中的 Pressure 改为 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 EFD.Lab 分析树中。

可以看到下图:

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

1. 右击 Cut Plots 图标并且选择 Insert。

2. 选择 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 Plot 对话框,点击 OK 。新的Cut Plot 1 项将出现在 EFD.Lab 分析树中。

8. 在 Standard View 中选择 Top 视图。

你可以看到最大的速度区域出现在开口处,现在让我们来看一下流体的温度。

9. 双击图形显示区域的左上角彩色面板,View Settings 对话框出现。

10. 将 Parameter 中的 Velocity 改为 Fluid Temperature。

11. 分别改变 Min 和 Max 值为 70 和140 。

12. 点击 Vectors 页并且在滑动栏下的框键入0.2来改变 Arrow size 为 0.2 。注意被勾选Use Fixed Colour。

注意你也可以定义一个超出滑动条范围的数值。

13. 设置 Max 值为 1 ft/s。

通过自定义 Min 和 Max 值你可以控制矢量的长度。当速度矢量的值超出了定义最大值,这个矢量的长度将等于最大值的长度。与之相类似,当速度矢量的值小于定义的最小值,这个矢量将等于最小值的长度。我们已经定义了 1 ft/s 为显示区域的最小速度。

14. 点击 OK。

15. 右击 Cut Plot 1 项并且选择 Edit Definition。

16. 点击 Vectors 。

17. 改变 Position 为 -0.30 in。

18. 在 Settings 页,使用滑动条设置 Vector spacing 为0.18 in。

19. 点击 OK。

对于散热器周围的高温流体不要感到惊讶,而且通过一些小的矢量清楚的展现了,在这些低速区域有一个更高的温度。

右击 Cut Plot 1 项并且选择 Hide。现在我们来显示固体温度。

表面云图

1. 右击 Surface Plots 项并且选择 Insert。

2. 在特性管理设计树中点击 Main Chip,Heat Sink 和所有Small Chip 元件去选择它们的表面。

3. 点击 View Settings。

4. 在 View Settings 对话框,改变 Parameter 为 Solid Temperature。

5. 分别改变 Min 和 Max 值为 70 和140。

6. 点击 OK。

7. 在 Surface Plot 对话框,点击 OK。由于在表面要生成颜色,所以创建表面云图可能要略微等待一会。

8. 重复步骤 1 和 2 并且选择 Power Supply 和 Capacitors 项,之后点击 OK。

9. 在 Model Display 工具栏, 点击 Wireframe 显示面的轮廓线。

你也可以通过在 First Steps - Ball Valve Design 教程中展现的后处理工具来进一步的观察模型和分析结果。EFD.Lab 允许你快速方便的对模型无论是在数量上还是质量上进行检查。数量上的结果诸如:元器件最大温度,通过设备的压降以及空气温升等,这些数据可以帮助你确定设计的模型是否可以接受。通过观察质量上的结果诸如:空气流动模式,固体导热模式。EFD.Lab 提供给你模型中哪些地方存在问题以及设计中的薄弱环节,从而可以指导你进行改进或者优化。

 

 

 

 

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