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基于CAD系统的冷却剂回路和热管热模拟方封面机株洲铸造设备纯银首饰逻辑IC

时间:2022/07/27 05:24:01 编辑:

基于CAD系统的冷却剂回路和热管热模拟方法

摘要

当电子设备的空气冷却达到能力极限后,采用的下一代冷却技术很可能就是热管和单相、两相冷却剂回路(包括可能的回路热虹吸、喷淋制冷、蒸汽压缩制冷循环和回路热管)。这些技术领域并不适合采用2D/3D计算流动动力学(CFD)软件进行设计和分析,同样传统的络示意图类型的模拟方法在面对这种有着复杂几何结构的热/结构模型时也显得非常笨拙。

这篇文章介绍了在3D热模型内用CAD线绘制方法快速生成1D热管和冷却剂回路的流动模拟技术。流体回路的管线和弯头能与平板和其它曲面融于一体、或以线接触、支架接触等形式连接,无论这些曲面是用热有限差分方法还是用有限元方法生成、哪怕是两者的结合体都行。流体管线同样也能变换和调整以描述复杂的换热器和满足安装的垂直度要求。

为演示这些概念,给出了两个有明显区别的例子:一个是铜-水热管,一个是带有回型管冷凝器的铝-氨回路热管。文章也总结了这些设备系统级模拟的数值要求。

超越空气冷却

强迫空气对流冷却应当是目前电子产品降温的最常用的方法,但是,高于每秒3~4米的空气速度已经很难达到了。因此,随着热流密度的增加和封装组件(多芯片模块MCMs)的出现,空气冷却很快就达到了利用的极限。这种极限事实上已经在高功率密度领域被超出。在许多其它应用中,空气冷却也不再是最好的工程解决方案,但是仍然由于政治和基础设施方补胎机面的阻碍(不是技术原因)被持续应用,而未迈出应有的一步。

应有的一步是什么?什么能超越空气冷却?单相液体流动冷却可能是代表这种科技进步的一小步(ref),尽管目前密封热管仍然作为空气冷却的有效辅助手段受到欢迎。一些组织已经推断,如果向系统内加入流体的阻碍一定要克服的话,那么应当跳过单相系统直接使用两相系统,因为它们具有更低流速和更高传热系数。这样的两相系统包括“被动的”(不用泵和压缩机的)热管、回路热管和回路热虹吸,以及“主动的”泵驱动的两相冷却剂回路包括蒸发喷淋冷却器(ref3)。其他人(ref4)认为,既然不怕麻烦地采用了两相系统,我们更应当开发汽化制冷系统的潜能并最终消除散热通道上的终极极限:半导体节与环境间的温差。

无论答案是单相回路(或许也包括风冷吧)、热管、两相冷却剂回路、或者制冷系统,改变现有模拟技术的需求是始终存在的:日益强调采用CFD方法模拟风冷系统并不能满足日益增长的工程设计需要。在我们正式开始介绍CFD软件的替代品之前,先简要描述一下基于结构分析(导热/热容/辐射)的热模拟技术的现状。

3D热模拟

有多种络类型的热导/热容模拟工具存在,包括Sauna、Network Analysis的SINDA/G、Thermal Associates的TAK等热求解器,以及同属于SINDA的C&R公司的SINDA/FLUINT。通常这些程序都被错误地认为是“有限差分”软件,实际上它们是不依赖于几何体的热络(电路)求解器,不仅能被用来求解有限差分问题和1D集总参数问题,还能用于有限元问题(需做特殊的输入设置)求解。它们通常都具有内在的可执行的用户逻辑和(或)其它等式类型的输入变量。渐渐地,热络求解器也采用了图形化用户界面(通常是基于3D几何体的)以便于输入文件的产生,但大多数仍保留着电路图类型的示意图前后处理器,这种示意图类型的用户界面对于高等集总参数法模拟,如用当量热容、热导和表面积等参数描述的电池组,以及其它需精简模型集成的应用很重要。

类似地,各类软件工具在模拟壳体和实体的稳态和瞬态导热方面都没有缺点,有限元方法(例如MSC/NASTRAN)应用最多,偶尔使用有限差分法(例如EDS公司的TMG),并且至少有一个软件(Ref5)是采用了有限元和有限差分两种混用-匹配形式,事实上,每个结构有限元软件都提供了可选的此类“传热模拟”模块。大多数此类软件也提供了由CAD模型生成热模型的工具,尽管彼此间存在着灵活性的差异。

最后,结构有限元模型能基盐城于各式各样的CAD软件的卷扬机模型生成。但是,不幸的是,这些结构有限元模型很少能直接适合作为热模型使用。几乎没有可专门提供给热管理设计任务使用的曲面和实体(2D/3D)程序存在,有的也只是为满足高层组装件产品级热设计需求,计入接触热导和有效辐射效果的软件。几乎没有软件能提供任何流体流动模拟能力,除了那些采用完整CFD理论的软件(例如,Fluent公司的IcePak,EDS公司的ESC)。

一些其它的2D/3D软件提供了流体流动络。除了一个特例(Ref6)外,大多数这类软件都需将流速和换热系数等参数作为输入给出,更差的是,2D/3D热几何体间的内部联系需要手动产生。部分软件采用示意图类型的GUI描述流体流动问题,与热模型相关的曲面和实体或者不存在或者过于简化。这些软件开发的重点或者在于1D流体模拟,或者在于3D热模拟,但是没有一个软件同时包括了这两种功能。

总而言之,大多数的热工程师能掌握并相对容易地创建2D/3D热导热模型,并且其中的一些能创建带有接触热导和辐射的热模型。但是很少能够在不求助于全3D CFD软件的前提下,将风冷和管道冷却剂流动模拟集成到这些模型中去的。

3D CFD软件的应用

与传热耦合的管道单相流体流动能用各种各样的2D/3D CFD软件模拟。这种模型在汽车行业的应用,包括确定复杂空气管道内的分支和分叉流动、用于评估进入车厢的平均流量、风路出口处速度廓线。

但是,在自由来流(绕流)的近壁边界层内,需要相对较小的CFD单元和有限容积,计算资源的需求通常随着分辨率的增加而以几何规律增加。在绝热的管道流动中,CFD单元在整个模型中都必须非常小,在有传热的管流中,大多数CFD软件需要更精细的单元以避免近壁处计算耦合换热量时出现大的误差项。对于包括整个冷却剂回路的真实复杂系统而言,这种求解的成本太高了,也使得瞬态分析几乎不可能,进行参数化分析和迭代稳态计算更是不用提了。事实上,几乎没有CFD软件能提供完整的参数化模型分析能力:模型和有限元的改变在两次运行间、更不必说在每次运行过程中都是很难实现的。

有相变的两相流动,例如发生在热管(包括回路热管)、热虹吸、喷淋冷却器和蒸汽压缩循环中的相变过程,在当前仍是实用商业化CFD软件进行系统级模拟的禁区,虽然它们在大学研究项目中有所应用。

基于以上原因,一些CFD供应商已经开始提供1D流动模拟替代工具,也是意识到了以上的局限性可能在未来的很多年内都将难以解决。

1D流动模型的应用

一维流动模型可能仍被一些工程师归为“计算流体动力学”,但是1D模型区别于CFD模型的重点在于它完全不考虑非轴向的单元。而且,在传热和压降计算中采用的是更合理的经验公式。也就是说,在1D管道流动中的边界层的求解不是根据CFD方法中的“热力学第一定律”,而是采用基于多次实验的有着很高计算效率的假设。由于径向拉伸:最大力、拉伸强度、断裂伸长率、弹性模量等和周向尺度不需要离散化,甚至轴向尺度也通常不需要像在CFD方法一样精细地划分。所以,在管流系统中,1D流动模型的计算速度比3D模型计算速度快多个数量级。

在1D方法中,计入了轴向的动量守恒,轴向流动动量方程中的壁面摩擦采用了计入管道形状、工质类别、当前流率等参数影响的实验公式。也就是说,唯一的“速度场”就是单一的轴向矢量(沿着流向的任意一点)。

沿着流向计入了每一点处的能量和质量(以及组分等)守恒。换热系数能以准2D形式沿着管道周向变化,同样依据的是经验公式。在径向或沿着周向没有划分流体控制体,从而形成了简单、能快速求解的络体系。

对于单相流动,能得到比CFD方法快得难以想象的计算速度,对于两相流动,1D方法使得不可能变成了可能,因为这商标转让些领域在本质上,3D CFD方法还不能求解,它们必须确定和追踪每一相的变化,必须处理大梯度区域和两相流动中不能逃避的热力学与传热的强烈耦合问题。

基于“热力学第一定律”的CFD软件(即不使用雷诺数和努谢尔特数经验公式的)可能被一些工程师认为是更准确的。但是在管流模拟中这种观念很难被捍卫。当然,在某些场合下1D经验公式也只能勉强适用。这样的例子之一就是两相流,基于实验公式的1D流动模型计算得到的摩擦系数或传热系数有20%的偏差就被认为是非常好了。幸运的是,1D方法的快速求解特征使得我们能采用更高级办法处理这些不确定性问题(Ref7、8)。

1D模拟的高速同样使得瞬态分析、以及模型的快速变换功能(包括在一次求解进程中的参数扫描)变为可能,此类参数化模型变化功能是高级分析和设计行为的重要指针,如自动的尺寸大小优化、组件优选和布局调整等(Ref9)。

总而言之,“丢失”不必要方向的单元会在求解速度上取得巨大的收益,并且这种收益能应用在高级工程任务分析,而不再是单一的“点设计模拟”(例如,预计某一设计方案对某一特定场合的反应)。1D流动软件对类如电子设备冷却中的管流问题的模拟明显地优于2D/3D CFD软件。

但是,用于热模拟的1D流动络模拟办法存在着一个问题:与3D传热模型不能集成。

在3D传热模型内模拟1D流动

Ref6 介绍了在3D(例如有限差分和/或有限元模型)热模型内建立1D流动模型的办法。选择1D流动办法模拟风冷电子设备需要做简化假设,但此类简化并不一直适用于模拟空气流动,它们适合于模拟管道流或冷却剂流动,就像上面讨论的。

但是,在参考文献中详细介绍的方法需要做重要增强才能用于管道流动系统,如冷却剂回路、热管和制冷系统,尤其是:

提供能利用CAD工具自由创建直线和弧线的功能,然后使得这些1D线单元被识别为管道(用于冷却剂回路、回路热管、回路热虹吸、蒸汽压缩循环等)或恒热导值、变热导值热管。

这些流体管线,无论是管道还是热管,如果可用且不违背1D假设(1D热导/热容络单元),还应包括管道壁或容器。

流体管线还需能附着在实体和曲面上,并能恰当地模拟翅片、支架、固定物、接触热阻等。

流体管线还需有可变的轴向分辨率,并能根据需要细分以形成T型头、多通等。

流体管线的轴向分辨率(数目和方法)应当独立于流体管线所附着的曲面和实体的空间分辨率(同样包括数目和方法)而随意指定,

这些改进已经被成功地完成,形成了独一无二的用于有风冷或冷却剂冷却的电子设备冷却模拟的方法。

这里将给出两个应用摘要以演示这些功能。首先,常值(恒值)热导热管(CCHPs、FCHPs)的模拟功能将被展示并给出在某一特定工况下的应用情况。其次,回路热管(LHP)将替换这个热管以演示LHP热管模拟技术和更常见的单相或两相冷却剂回路的模拟。

系统级“精简”热管模拟

由于两个错误概念使得热管的模拟被认为是太难了。首先由于设备是“两相”的,所以完整的两相热力学模拟是必须的。虽然完整的流体力学解决方案能应用在LHPs(见下面),但采用它们做热管系统级模拟有些“大材小用”了。即使在热管自身的设计过程中(对比于它们在其它系统热设计中的应用),许多厂商也只是采用简化的方法。

第二个误解是热管能用人为指定的高热导率的实体棒或杆代表,这不仅破坏数值算法的完整性(尤其在瞬态分析中),而且两者之间并不等价。不像一个高热导率的柱条,热管的热导或阻值与传输长度无关,只要它的内部极限(如沸腾极限、毛细力极限、携带极限、粘度极限、声波极限)没被超出,另外,某些类型的热管在蒸发和冷凝端的对流换热系数能有高达4倍的差异,在实际的复杂几何系统中,分析者不应当事先假定热管的哪一部分将吸收热量和哪一端将排出热量:在求解过程中产生的温度分布才是作出这些决定的控制者。

同样重要的是能以与销售商提供的等级分类表格式相容的形式,给出热管的传热功率结果:在长度方向上的热功率积分值(Q*Leff)。在给定的安全系数下,这也就是通常为确保热管没有超出运行极限而必须做的工作。在设计平行特别是第3代铝锂合金材料的发展现状排列的在实验的时候实时传送数据并比对数据热管组(或者冗余设计)以确保每一个热管都能在合适载荷下工作时,功率-长度乘积同样很重要。

幸运的是,一个相对简单的基于络化理论的热管模拟办法已经可用,并在航空航天行业使用了多年,美国航天应用热管的经验已经有近30年的历史。为讲解这个办法,首先考虑一个简单的一维有限差分壁面模型,只考虑轴向梯度,如图1所示。

图1: 热管的系统级络模型

这个办法的关键在于加入一个代表蒸汽饱和温度(Tvap)的无质量的节点。所有的壁面节点都与这个节点连接,其间的热导(以i代表第i个壁面节点,温度为Ti,内表面面积为Ai,容积为Vi):

Gi = He*Ai(Ti > Tvap)

或 Gi = Hc*Ai(Ti

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