項目1實驗平臺的基本原理與功能操作

項目1實驗平臺的基本原理與功能操作實驗課程概況項目1：實驗平臺的基本原理與功能操作項目2：翅片散熱器的設(shè)計與分析實驗項目3：熱輻射塊和板的設(shè)計與分析實驗項目4：熱分布的瞬態(tài)分析實驗項目5：LED投光燈的散熱設(shè)計與分析實驗2/2/20232本次實驗的主要內(nèi)容項目1：實驗平臺的基本原理與功能操作一、計算流體力學(xué)（CFD）概述二、CFD數(shù)值模擬的總體工作步驟三、CFD求解過程四、常用的商用熱分析軟件五、Icepak軟件簡介六、Icepak軟件的基本操作七、單顆LED模塊散熱仿真的操作演示2/2/20233一、計算流體力學(xué)（CFD）概述1、CFD定義：通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和傳熱等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。2、CFD的應(yīng)用：單純流體的場域計算空氣水體流體參與傳熱的場域計算散熱（環(huán)境級、系統(tǒng)級、電路板級、元件級）2/2/202342/2/202353、CFD的基本思想把原來在時間域和空間域上連續(xù)的物理量的場（如：速度場、溫度場、壓力場等），用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。散熱過程的CFD方法，實質(zhì)上就是：散熱CFD=流體力學(xué)+傳熱學(xué)+數(shù)值分析2/2/202362/2/202374、熱分析的基本方法及其對比

主要優(yōu)點主要缺點作用傳統(tǒng)的理論分析法1.計算結(jié)果具有普遍性；1.對計算對象進行抽象和簡化后，才能得到理論平均解，帶有較大誤差；提供研究的理論基礎(chǔ)2.影響因素清晰可見。2.對非線性情況，很少能得到解析解。實驗測量法結(jié)果的真實可信度較高。1.受模型尺寸、流場擾動、人身安全、測量精度等外界因素的限制，內(nèi)部結(jié)構(gòu)難以測量；驗證由其它方法分析得到的結(jié)果真實性2.實驗成本高，周期長。CFD數(shù)值分析法1.克服了前面兩個方法的缺點；1.需要將眾多影響因素抽象成適合計算的物理模型和數(shù)學(xué)模型；提高熱分析效率，展現(xiàn)場域數(shù)據(jù)的分布2.能快速得到不同情況下的溫度場的分布數(shù)據(jù)。2.對研究者的理論基礎(chǔ)和數(shù)值分析能力的要求較高。構(gòu)成了熱分析的完整體系2/2/20238二、CFD數(shù)值模擬的總體工作步驟1、建立反映工程問題或物理問題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型：(CFD方法解決問題的出發(fā)點)2、尋求高效率、高準確度的計算方法：(CFD方法的核心)3、編制功能程序和進行計算：(花費時間最多)4、顯示計算結(jié)果：(檢查和分析模擬質(zhì)量)微分方程定解條件初始條件邊界條件微分方程的離散和求解方法邊界條件的處理（離散化）有限差分法有限元法有限容積(體積)法如：Icepak計算網(wǎng)格的劃分輸入初始條件和邊界條件設(shè)定控制參數(shù)場域分布圖場域點數(shù)據(jù)分布表2/2/20239三、CFD求解過程

計算二維空間內(nèi)無熱源的穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)換熱情況下的數(shù)值解。假設(shè)計算區(qū)域為正方形，邊長=4mm，左側(cè)、右側(cè)和下側(cè)邊界溫度為0K，上側(cè)邊界溫度為1K。(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(1)建立控制方程0xy0K0K0K1K4mm4mm①能量守恒方程：（包含三維、源項、時間項）②質(zhì)量守恒方程：（包含三維、時間項）③質(zhì)量守恒的能量守恒方程：（二維、無時間項、無源項）2/2/202310計算二維空間內(nèi)無熱源的穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)換熱情況下的數(shù)值解。假設(shè)計算區(qū)域為正方形，邊長=4mm，左側(cè)、右側(cè)和下側(cè)邊界溫度為0K，上側(cè)邊界溫度為1K。(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(2)確立初始條件及邊界條件0xy0K0K0K1K4mm4mm①初始條件：因無時間項，所以可不設(shè)定初始條件。②邊界條件：(3)劃分計算網(wǎng)格，生成計算節(jié)點①劃分網(wǎng)格：采用“差分格式”離散成均勻網(wǎng)格，網(wǎng)格步長=1mm②節(jié)點編號：用(i,j)坐標表示每一個節(jié)點，i=1,2,3,4,5;j=1,2,3,4,5.0xyij(i,j)(i+1,j)(i-1,j)(i,j+1)(i,j-1)三、CFD求解過程

2/2/202311三、CFD求解過程

計算二維空間內(nèi)無熱源的穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)換熱情況下的數(shù)值解。假設(shè)計算區(qū)域為正方形，邊長=4mm，左側(cè)、右側(cè)和下側(cè)邊界溫度為0K，上側(cè)邊界溫度為1K。(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(4)建立離散方程內(nèi)節(jié)點的差分離散方程0xy0K0K0K1K4mm4mm0xy(i,j)(i+1,j)(i-1,j)(i,j+1)(i,j-1)①無初始條件，所以無需離散(5)離散初始條件和邊界條件②邊界節(jié)點的差分離散方程2/2/202312三、CFD求解過程

計算二維空間內(nèi)無熱源的穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)換熱情況下的數(shù)值解。假設(shè)計算區(qū)域為正方形，邊長=4mm，左側(cè)、右側(cè)和下側(cè)邊界溫度為0K，上側(cè)邊界溫度為1K。(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(6)給定求解控制參數(shù)將步驟(4)(5)所得的待求解方程組寫成矩陣形式：0xy0K0K0K1K4mm4mm0xy(i,j)(i+1,j)(i-1,j)(i,j+1)(i,j-1)該系數(shù)矩陣為滿秩，則方程組有唯一解，其解肯定收斂，無需給定控制參數(shù)。(若存在對流項，則必須給定控制參數(shù))2/2/202313三、CFD求解過程

計算二維空間內(nèi)無熱源的穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)換熱情況下的數(shù)值解。假設(shè)計算區(qū)域為正方形，邊長=4mm，左側(cè)、右側(cè)和下側(cè)邊界溫度為0K，上側(cè)邊界溫度為1K。(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(7)求解離散方程0xy0K0K0K1K4mm4mm0xy(i,j)(i+1,j)(i-1,j)(i,j+1)(i,j-1)該方程組往往都很大，采用的方法可分為兩大類：直接解法和迭代解法。其中迭代解法占內(nèi)存較小，有利于用小機器求解大問題，因此商用軟件往往采用迭代解法。2/2/202314(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)Icepak中的殘差分析：認定三種守恒方程（質(zhì)量守恒、能量守恒、動量守恒）的迭代殘差都小于1×10-3，且監(jiān)控點溫度趨于平衡時，可以認為求解結(jié)果收斂。三、CFD求解過程

(8)解收斂否2/2/202315流線圖等值曲線圖矢量圖云圖2/2/202316四、常用的商用熱分析軟件1、軟件分類通用熱分析軟件：并不是根據(jù)電子設(shè)備特點而編制的，但可用于電子設(shè)備熱分析。如：Flotrn、Algor、Ansys等。專用電子設(shè)備熱分析軟件：專門針對電子設(shè)備特點而開發(fā)，具有較大的靈活性。如：BETAsoft、Coolit、Flotherm、Icepak、Qfin、QLED等。2、軟件的基本架構(gòu)數(shù)據(jù)輸入及維護模塊網(wǎng)格生成及顯示模塊數(shù)值計算模塊（求解器）結(jié)果輸出及顯示模塊2/2/202317五、Icepak軟件簡介1、軟件公司的發(fā)展Fluent公司致力于為用戶提供流動模擬及熱分析的仿真軟件及服務(wù)，使用戶大大改進設(shè)計，縮短設(shè)計時間，從而具有強大的核心競爭力和優(yōu)勢。2/2/2023182、Fluent公司的軟件品種FLUENT6基于CFD的有限體積法，適用于可壓/不可壓流，層流/湍流,包括化學(xué)反應(yīng)和多相流。FIDAP基于CFD的有限元法,適用于不可壓/可壓流，層流/湍流,包括牛頓流體/非牛頓流體,自由界面和流體結(jié)構(gòu)接觸面的相互作用POLYFLOW基于CFD的有限元法,適用于模擬高粘性流動(如流變流體)和表面流動MixSim模擬混合過程的專業(yè)軟件Icepak熱管理和電子儀器散熱分析的專業(yè)軟件Airpak熱管理和電子儀器散熱分析的專業(yè)軟件2/2/2023193、Icepak是一種基于對象建模的軟件Icepak允許以下方式建模:主體對象:如塊(blocks),板(plates),風(fēng)扇(fans),通風(fēng)口(vents),阻尼(resistance)等。宏:如IC封裝,PCBs,輻射散熱器,詳細風(fēng)扇曲線。2/2/2023204、Icepak的仿真能力穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)問題層流/湍流模型強迫對流/自然對流/混合對流多流體問題內(nèi)/外流分析耦合傳熱輻射固定邊界條件/動邊界條件/對稱邊界條件依賴于時間的特性2/2/202321強大的網(wǎng)格生成:連續(xù)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)網(wǎng)格非連續(xù)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格求解器特點:參數(shù)化并行處理網(wǎng)格間插值Zoom-in建模其它功能:靈活的單位定義用戶自定義封裝庫從MCAD/ECAD文件導(dǎo)入ProE-Icepak界面先進的后處理和生成報告的功能2/2/202322六、Icepak軟件的基本操作1、怎樣啟動IcepakWindows:點擊桌面上的快捷鍵“Icepak4.3.10”在開始菜單點擊Programs/Fluent.Inc/Icepak4.0UNIX:從系統(tǒng)命令行中輸入“icepak”2/2/2023232、啟動界面Icepak啟動后,自動彈出New/existing面板2/2/2023243、創(chuàng)建新工程在New/Existing面板中點擊New打開Newproject面板2/2/2023254、打開已有工程在New/Existing面板中點擊Existing打開Openprojectwindow面板2/2/2023265、Icepak的文件結(jié)構(gòu)每個Icepak工程都是由包含路徑的工程文件組成工程名=路徑名文件種類包括:問題設(shè)置文件-JOB,MODEL和PROBLEM文件網(wǎng)格文件求解文件后處理/報告文件

其中Job,Model和Problem文件是重建工程必須要有的文件。2/2/2023276、壓縮/解壓工程在New/Existing面板中點擊Unpack打開Fileselection面板只有job,model和problem文件被壓縮壓縮格式為*.tzrFile>Pack進行壓縮操作File>Unpack進行解壓操作2/2/2023287、用戶圖形界面2/2/2023298、Icepak建模對象的簡單介紹2/2/2023309、模型工具欄：創(chuàng)建對象2/2/20233110、模型工具欄：編輯和對齊功能2/2/20233211、快捷工具欄2/2/20233312、模型樹2/2/20233413、鼠標功能2/2/202335七、單顆LED模塊散熱仿真的操作演示1.創(chuàng)建并保存一個名為Exle1的Icepak項目，在其中建立如下圖描述的一個簡單散熱模塊，并根據(jù)基本設(shè)置條件以