趙惇殳-電子設(shè)備熱控制技術(shù)

admin 2011-08-27

計(jì)算機(jī)輔助熱分析
?數(shù)值傳熱學(xué)，數(shù)值流體力學(xué)
?數(shù)值計(jì)算方法
?建模技術(shù)
?程序設(shè)計(jì)
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(wèn)題轉(zhuǎn)化為離散點(diǎn)的問(wèn)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(duì)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(guò)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(diǎn)的溫度,節(jié)點(diǎn)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(xiě)出單元的泛函表達(dá)式
（3）構(gòu)造每個(gè)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(dá)式

對(duì)流換熱的數(shù)值計(jì)算
連續(xù)方程能量方程動(dòng)量方程
輸入及數(shù)據(jù)維護(hù)模塊
輸入與數(shù)據(jù)維護(hù)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(jì)算模型作準(zhǔn)備?？刹捎貌藛畏绞剑部山Y(jié)合一些圖形說(shuō)明，增強(qiáng)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(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布計(jì)算中，網(wǎng)格劃分是一項(xiàng)重要且仔細(xì)的工作。在常見(jiàn)的復(fù)雜區(qū)域中，各個(gè)過(guò)渡區(qū)域及邊界處所采用的網(wǎng)格劃分方法，對(duì)計(jì)算程序的編制、計(jì)算過(guò)程的復(fù)雜性和計(jì)算精度都有很大的影響。
在程序設(shè)計(jì)中，可以用自動(dòng)網(wǎng)格生成的或手工劃分網(wǎng)格。自動(dòng)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(jì)算模塊
數(shù)值計(jì)算模塊是熱分析的核心模塊，包括計(jì)算傳熱學(xué)中所論述的各種計(jì)算方法，包括速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)的計(jì)算程序，也包括研究分析對(duì)象的區(qū)域劃分及邊界條件的處理程序等?？刹捎妹嫦?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)。
結(jié)果輸出及顯示模塊
數(shù)值計(jì)算結(jié)果輸出最直接的方式是將求解變量節(jié)點(diǎn)的值以文本文件的形式輸出。但當(dāng)計(jì)算的數(shù)很大時(shí)，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(jì)算結(jié)果以圖形化的形式顯示出來(lái)。可以直接調(diào)用相應(yīng)的商品軟件，就能顯示計(jì)算結(jié)果。

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

解：
仿真分析過(guò)程如下：
a. 創(chuàng)建工程項(xiàng)目
用戶新建一個(gè)工程項(xiàng)目，Icepak會(huì)生成一個(gè)缺省的機(jī)柜，尺寸為1 m ′1 m′1 m。
建立仿真模型
定義機(jī)柜結(jié)構(gòu)尺寸。
該機(jī)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(jī)柜分成兩個(gè)區(qū)域：設(shè)備一面和散熱器肋片一面?；宄叽缭O(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(kāi)孔。
該矩形孔位于機(jī)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(jī)柜后部，共有3個(gè)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(jī)，質(zhì)量流量為0.01kg/s 。第一個(gè)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(gè)，每個(gè)功率33W，尺寸大小為0.02m′0.007m，第一個(gè)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(gè)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(lái)密封5個(gè)高功率器件，其大小為0.025m′0.25m′0.365m，共5個(gè)壁面，每個(gè)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(guò)2步來(lái)生成網(wǎng)格。首先生成粗網(wǎng)格并檢查網(wǎng)格來(lái)確認(rèn)什么地方的網(wǎng)格需要細(xì)化. 然后進(jìn)行細(xì)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(huì)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(cè)點(diǎn)來(lái)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(xì)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(wèn)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(xì)化到0.004mm。細(xì)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(zhǎng)度方程（0-方程）,雙方程(標(biāo)準(zhǔn)- 方程), R G -, 增強(qiáng)雙方程(標(biāo)準(zhǔn)- 帶有增強(qiáng)壁面處理), 或Spalart-Allmaras 紊流模型供用戶進(jìn)行選擇，可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)分析、強(qiáng)迫對(duì)流/自然對(duì)流/混合對(duì)流分析、流固耦合分析和熱輻射分析。本實(shí)例通過(guò)估算雷諾數(shù)和貝克利數(shù)確定采用紊流模型。
e. 求解計(jì)算
在完成上述工作后，點(diǎn)擊啟動(dòng)求解器，Icepak將開(kāi)始求解，一個(gè)新的窗口將會(huì)出現(xiàn)。它顯示了計(jì)算的殘差。Icepak 也會(huì)打開(kāi)Mo itor 窗口，來(lái)顯示收斂過(guò)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(lái)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(gè)大的對(duì)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(gè)熱源的溫度分布圖
圖10-16顯示了5個(gè)熱源的溫度分布圖。幾個(gè)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(gè)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(diǎn)在熱源的附件。最高溫度出現(xiàn)在三個(gè)中間的熱源周圍。
通過(guò)后處理直觀顯示分析，基板最高溫度為52.3℃,說(shuō)明所設(shè)計(jì)的散熱器足可以滿足冷卻要求。

計(jì)算機(jī)輔助熱分析
國(guó)外計(jì)算機(jī)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(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)輔助熱分析
原電子部成立了熱分析軟件應(yīng)用總體組,負(fù)責(zé)電子設(shè)備計(jì)算機(jī)輔助熱分析的研究工作,雷達(dá)結(jié)構(gòu)熱分析,專用芯片熱設(shè)計(jì),MCM熱分析,導(dǎo)熱模
塊熱分析,電子機(jī)箱熱分析,散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)算功能
計(jì)算誤差

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

空間環(huán)境
宇宙真空和低溫
太陽(yáng)輻射
地球大氣層
地球-大氣層的熱輻射
航天器的被動(dòng)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(dòng)熱控制技術(shù)
航天器的主動(dòng)熱控制技術(shù)(1)
1.輻射式主動(dòng)熱控制方法
熱控百葉窗熱控轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)
2.傳導(dǎo)式主動(dòng)熱控制方法
接觸式熱開(kāi)關(guān) 可控?zé)峁?br /> 3.對(duì)流主動(dòng)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(jì)
熱設(shè)計(jì)的任務(wù)與原則
系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
熱設(shè)計(jì)中的問(wèn)題
內(nèi)熱源
太陽(yáng)能電池的熱控制