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赵惇殳-电子设备热控制技术

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计算机辅助热分析
?数值传热学,数值流体力学
?数值计算方法
?建模技术
?程序设计
导热的数值分析
有限元素法(变分原理)
有限差分法(温度连续分布问题转化为离散点的问题,用差商去代替微商)
有限差分法求解步骤
(2)讨论与该差分格式对应的线性代数方程解的唯一性
(3)求解代数方程组,得到区域内的温度分布(确立差分格式是关键,通过区域离散化,建立区域差分方程和边界条件的差分形式,构建差分格式,求解线性代数方程,得到各节点的温度,节点数越多,精度越高)
(1)构成差分格式 有限元素法求解步骤
(2)写出单元的泛函表达式
(3)构造每个单元内的插值函数
(1)区域离散化
(5)构成代数方程组
(6)求解代数方程组
(4)求泛函极值条件的代数方程表达式

对流换热的数值计算
连续方程 能量方程 动量方程
输入及数据维护模块
 输入与数据维护模块的主要功能是读入用户输入的设备结构描述数据和必要的边界件,为网格划分及后面的数值计算模型作准备。可采用菜单方式,也可结合一些图形说明,增强直观操作性。模块由总体参数描述和边界参数描述两部分组成。

网格生成及显示模块
  在速度场和温度场的分布计算中,网格划分是一项重要且仔细的工作。在常见的复杂区域中,各个过渡区域及边界处所采用的网格划分方法,对计算程序的编制、计算过程的复杂性和计算精度都有很大的影响。
  在程序设计中,可以用自动网格生成的或手工划分网格。自动网格划分的基本思路是在保证网格内的物性参数相同的情况下,区域内的网格尽量均匀化。
数值计算模块
  数值计算模块是热分析的核心模块,包括计算传热学中所论述的各种计算方法,包括速度场、温度场的计算程序,也包括研究分析对象的区域划分及边界条件的处理程序等。可采用面向对象的程序设计技术。
结果输出及显示模块
  数值计算结果输出最直接的方式是将求解变量节点的值以文本文件的形式输出。但当计算的数很大时,其输出的数据量也随之增加,显得繁杂且不方便。比较好的输出方式,可以将计算结果以图形化的形式显示出来。可以直接调用相应的商品软件,就能显示计算结果。

ICEPAK软件仿真实例
  例:在一个机柜里有5个高功率的设备(密封在一个腔体内),一块基板,10个肋片散热器,三个风扇s, 和一个自由开孔,如图10-7所示。散热器和基板用铝型材,每个风扇质量流量为0.01kg/s,每个热源为33W。根据设计目标,当环境温度为20℃时,设备的基座不能超过65℃。

  解:
  仿真分析过程如下:
  a. 创建工程项目
  用户新建一个工程项目,Icepak会生成一个缺省的机柜,尺寸为1 m ′1 m′1 m。
  建立仿真模型
  定义机柜结构尺寸。
  该机柜尺寸为0.1 m ′0.25 m ′0.356 m,位置保持在(-0.025,0,0)。
  定义基板尺寸。
  该基板0.006m 厚,将机柜分成两个区域:设备一面和散热器肋片一面。基板尺寸设定为X=0.006m,Y=0.25m,Z=0.356m,位置保持在(0,0,0)。
  建立自由开孔。
  该矩形孔位于机柜前部,尺寸设定为X=0.069m,Y=0.25m,Z=0.0m,位置保持在(0.006,0,0.356)。
  建立风扇。
  风扇位于机柜后部,共有3个风扇,风扇外径0.03m,内径0.01m,风扇类型为轴流风机,质量流量为0.01kg/s 。第一个风扇位置保持在
(0.04,0.0475,0),其余沿着Y方向偏移0.0775m 复制  建立功率热源器件。
  器件位于基板正面上,共有5个,每个功率33W,尺寸大小为0.02m′0.007m,第一个器件位置保持在(0,0.0315,0.1805),其余沿着Y方向偏移0.045m 复制。
  建立散热器。
  散热器位于基板背面上,散热器肋片材料为铝型材,大小为0.069m′0.281m,厚度为0.0025m,共10片。第一个肋片位置保持在(0.006,0.0375,0.05),其余沿着Y方向偏移0.025m 复制。
  建立密封腔体
  该腔体用来密封5个高功率器件,其大小为0.025m′0.25m′0.365m,共5个壁面,每个壁面设置传热系数为15W/m . ℃。
  ICEPAK建立的模型如图10-8所示。
  网格划分
  ICEPAK是通过2步来生成网格。首先生成粗网格并检查网格来确认什么地方的网格需要细化. 然后进行细化网格。
  粗网格生成。
  如图10-9所示,在Mesh control 面板里, 选择Coarse. Icepak 就会将网格设置改变为粗网格的设置,设置Max X size to 0.01, the Max Y size to 0.01, the MaxZ size to 0.02。可以设置观测点来检查生成的网格,如图10-10a所示显示垂直肋片平面粗网格。
  细化网格
  检查可以发现散热器肋片中的网格太大,不足以解决该问题。根据需要将所有散热器肋片外围的每一层网格的高度细化到0.004mm。细化网格图形如图10-10b所示。
  选择求解模型
  Icepak软件提供有层流/紊流模型、混合长度方程(0-方程),双方程(标准- 方程), R G -, 增强双方程(标准- 带有增强壁面处理), 或Spalart-Allmaras 紊流模型供用户进行选择,可进行稳态/瞬态分析、强迫对流/自然对流/混合对流分析、流固耦合分析和热辐射分析。本实例通过估算雷诺数和贝克利数确定采用紊流模型。
  e. 求解计算
  在完成上述工作后,点击启动求解器,Icepak将开始求解,一个新的窗口将会出现。它显示了计算的残差。Icepak 也会打开Mo itor 窗口,来显示收敛过程。求解完成后,残差曲线如图所示。
  f. 结果分析
  显示速度向量切面
  如图所示显示沿着散热器肋片切面的速度分布,可以看出在风扇叶片的位置气流速度高. 最低速度出现在翅片与壁面之间.
  显示温度分布图  如图所示显示沿着散热器肋片切面的温度分布图,可以看出最高温度出现在散热器肋片的中部,风道下游温度高于上游。
  显示速度向量及压力分布图
  图10-14显示出压力分布图及速度向量图,图中显示出高压力区在风扇的下游,局部最大值出现在肋片上游的顶部.
  用温度的颜色来显示腔体区域的速度向量
  图10-15显示了在热源腔体内有一个大的对流,空气温度在风扇一侧下降,在热源位置上升,最高温度出现在最上面的热源。
  显示5个热源的温度分布图
  图10-16显示了5个热源的温度分布图。几个热源的温度分布比较相似,中心温度高,四周温度低,中间的那个热源温度比较高。
顶部和底部的热源温度分布接近。
  显示基板的温度分布图
  图10-17显示出背板温度分布图。可以看出温度热点在热源的附件。最高温度出现在三个中间的热源周围。
  通过后处理直观显示分析,基板最高温度为52.3℃,说明所设计的散热器足可以满足冷却要求。


计算机辅助热分析
  国外计算机辅助热分析
(THEBES,FLOTHERM,FLUE T,A SYS,FLOTRA ,FIDAP/ICPAK,
ESC,PHOE ICS,HOTBOX,TMG, ATA ,CATS,CFX4,STAD-D等)
  国内计算机辅助热分析
原电子部成立了热分析软件应用总体组,负责电子设备计算机辅助热分析的研究工作,雷达结构热分析,专用芯片热设计,MCM热分析,导热模
块热分析,电子机箱热分析,散热器优化设计等.

商用软件性能比较
  THEBES,FLOTHERM,PHOE ICS
HOTBOX,FLU T,FLOTRA ,FIDAP/ICEP
AK,CFX4,STAR-CD.
  数值特性
  计算功能
  计算误差


航天电子设备的热设计
  1.空间环境与航天器的热平衡
  2.航天器的被动热控制技术
  3.航天器的主动热控制技术
  4.航天器的热设计

空间环境
  宇宙真空和低温
  太阳辐射
  地球大气层
  地球-大气层的热辐射
航天器的被动热控制技术
  热控制涂层
  隔热技术(多层)
  相变热控制技术(相变制冷)
  热管技术
  其他被动热控制技术
航天器的主动热控制技术(1)
1.辐射式主动热控制方法
热控百叶窗 热控转动盘
2.传导式主动热控制方法
接触式热开关 可控热管
3.对流主动热控制方法(气体与液体)
4.热电热控制方法
热电调温 热电制冷
5.航天器制冷方法
航天器的热设计
  热设计的任务与原则
  系统方案设计
  热设计中的问题
内热源
太阳能电池的热控制

谢谢

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