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2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
第七章 航空器電子產(chǎn)品熱設(shè)計 微波器件與微帶電路分析設(shè)計 電磁兼容(EMC)/電磁干擾(EMI) 電磁/熱耦合分析
作者: 安世亞太 來源: 安世亞太
關(guān)鍵字: 航空航天 CAE 仿真 解決方案 ANSYS 安世亞太
第七章航空器電子產(chǎn)品熱設(shè)計
現(xiàn)代機(jī)(彈)載電子設(shè)備由于受條件限制,都要求重量輕、體積小。另外,為了提高電子產(chǎn)品的工作性能,其功率往往很大,也就是說電子元器件的發(fā)熱量非常大,一般電子元器件的正常工作溫度要求低于
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圖7-1散熱冷板上的溫度分布圖7-2冷卻水的流線圖 |
機(jī)(彈)載電子產(chǎn)品的冷卻可采用循環(huán)水冷(二次冷卻)和風(fēng)冷,而風(fēng)冷又有自然風(fēng)冷和強(qiáng)迫風(fēng)冷。
圖7-1、7-2采用ANSYS CFX對某機(jī)載電子產(chǎn)品進(jìn)行水冷分析,圖示為散熱冷板上的溫度分布和冷卻水的流線圖。
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圖7-3 采用ANSYS CFX對某機(jī)載電子產(chǎn)品冷卻方案進(jìn)行流場分析, 發(fā)現(xiàn)了原設(shè)計中的問題,并進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計 |
傳統(tǒng)的機(jī)(彈)載電子產(chǎn)品的熱設(shè)計以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計為主,根據(jù)機(jī)(彈)載電子產(chǎn)品熱設(shè)計手冊,利用半經(jīng)驗(yàn)、半解析的估算公式確定冷卻方式、流量(壓差)及流道,然后制造相應(yīng)的1:1模型進(jìn)行測試驗(yàn)證。這種熱設(shè)計的成功率主要取決于設(shè)計者的經(jīng)驗(yàn),由于試驗(yàn)驗(yàn)證成本高、周期長,設(shè)計者只能選取少數(shù)幾種自己認(rèn)為最可行的設(shè)計方案進(jìn)行試驗(yàn),從而可能疏漏了更好的設(shè)計方案。另外,如果測試驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)了設(shè)計中的問題,回過來重新更改設(shè)計,再測試驗(yàn)證,這樣的設(shè)計周期就更長,這與激烈的市場競爭不相適應(yīng)。
計算流體動力學(xué)(CFD)的飛速發(fā)展和計算機(jī)性能的提高為機(jī)(彈)載電子產(chǎn)品熱設(shè)計的數(shù)值仿真提供了保障。ANSYS CFX流體分析功能就是利用基于有限元的有限體積法求解三維湍流Navier-Stokes方程。ANSYS CFX是熱、流耦合計算軟件,在流體單元中求解質(zhì)量、動量、能量方程,而同時在固體單元中耦合求解能量方程,由此可得出流場中的速度、壓力、溫度分布,固體中的溫度分布,同時可得出流、固表面的對流換熱系數(shù)(圖7-4)和熱流密度。
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圖7-4 散熱齒表面的對流換熱系數(shù)分布圖7-5機(jī)箱內(nèi)外表面對流換熱系數(shù)分布 |
圖7-5采用ANSYS CFX對某機(jī)載電子設(shè)備機(jī)箱進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷分析,圖示結(jié)果為機(jī)箱內(nèi)外表面的對流換熱系數(shù)分布。
機(jī)(彈)載電子產(chǎn)品的冷卻效率取決于流、固表面對流換熱系數(shù)的大小,因此熱設(shè)計仿真分析的最主要任務(wù)是準(zhǔn)確求解對流換熱系數(shù)。對流換熱系數(shù)的大小與近壁面的流體溫度分布梯度成正比,而近壁面的流體溫度分布梯度與近壁面的流體速度分布有關(guān),因此,要得到準(zhǔn)確的對流換熱系數(shù),必須精確求解流體速度分布,尤其是近壁面附面層內(nèi)的速度分布。八十年代末九十年代初,由于受計算機(jī)速度的限制,直接求解三維復(fù)雜流場的湍流Navier-Stokes方程從而得到準(zhǔn)確的流體速度分布幾乎是不可能,因此發(fā)展了一些半經(jīng)驗(yàn)、半解析的電子系統(tǒng)冷卻分析軟件,這些分析中的流體剖面速度分布是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給定的解析式,對于簡單流場,這樣的解析表達(dá)式能較好地符合,而對于真實(shí)復(fù)雜流場,誤差較大。ANSYS CFX通過直接求解三維湍流Navier-Stokes方程來得到準(zhǔn)確的流體速度分布,從而能準(zhǔn)確給出對流換熱系數(shù)。
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圖7-6 速度分布云圖圖7-7沿流道某一截面流速分布曲線 |
另一個影響對流換熱系數(shù)大小的重要因素是層流流動還是湍流流動。流體層流流動時,沿平行于流道軸心線的流線流動,沒有跨越流線的分速度,沿流道壁面法線方向的熱量傳遞只能依靠流體分子的遷移運(yùn)動即熱傳導(dǎo);而湍流流動時,流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的流線是雜亂無章的,不僅在平行于流道壁面方向(軸向)有對流,而且相鄰流層之間的不斷擾動混合,形成渦漩流動,以致在壁面法線方向(橫向)也有對流;因此湍流時的熱量傳遞,除了依靠導(dǎo)熱方式外,主要依靠渦漩流動從一個流層到另一個流層的隨機(jī)運(yùn)動過程傳遞熱量,使換熱大大增強(qiáng)。所以湍流換熱要比層流換熱強(qiáng)烈,對流換熱系數(shù)較大。由此可見,湍流模型的好壞將對計算精度產(chǎn)生很大影響。ANSYS CFX提供了從零方程模型、標(biāo)準(zhǔn)K-e模型到修正的K-e模型等多達(dá)八種的湍流模型,以適應(yīng)各種不同的流動分析。
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圖7-8 不同的流動采用不同的湍流模型 |
ANSYS CFX提供了多達(dá)六種的多片流計算技術(shù)可用來進(jìn)行具有多種流體流動的二次冷卻分析,如循環(huán)冷卻水的自然冷卻分析。系統(tǒng)中固體材料可有多種,它們可具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等材料特性,固體材料間的接觸熱阻可用熱阻單元來模擬。
ANSYS CFX的瞬態(tài)分析功能可進(jìn)行瞬態(tài)熱分析,求出每一時刻每一點(diǎn)的溫度分布以及各點(diǎn)的溫度時間歷程變化過程。
ANSYS CFX流體分析支持五種熱邊界條件:
n常溫
n常熱通量(熱流密度)
n施加與環(huán)境溫度相關(guān)的對流換熱系數(shù)
n施加與環(huán)境溫度相關(guān)的表面熱輻射
n絕熱(隱含邊界條件)
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圖7-9 采用ANSYS CFX分析二種流體的圖7-10 采用ANSYS CFX的瞬態(tài)熱分析 換熱,二種流體間為固體計算溫度變化時間歷程 |
ANSYS CFX熱分析通過流-固共軛傳熱分析來得到溫度場,當(dāng)非流體材料的物性參數(shù)與流體材料的物性參數(shù)相差幾個數(shù)量級時,成為病態(tài)的共軛傳熱問題。ANSYS CFX提供的在流體區(qū)域和固體區(qū)域采用不同的時間步長的分析方法可以克服病態(tài)共軛傳熱問題。
圖7-11為電機(jī)內(nèi)冷卻過程的模擬。通風(fēng)方式為軸向自通風(fēng),轉(zhuǎn)速為1175r/min,考慮了轉(zhuǎn)子和定子的鐵耗、交流線圈和勵磁線圈的銅耗,以及雜散損耗。由于ANSYS CFX采用了全隱式耦合多重網(wǎng)格算法,在此類問題上計算的收斂非?？?而且計算穩(wěn)定。
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