SOLIDWORKS流动模拟的热分析能力 - 第2部分

文章来源：SOLIDWORKS代理商-卓盛信息

对于热传导分析，请选择Simulation Professional中的热解算器上的SOLIDWORKS Flow Simulation，第2部分，共3部分共轭传热

除极少数情况外，在考虑SOLIDWORKS Simulation的热分析求解器时，您应该选择使用Flow Simulation，这是一种计算流体动力学（CFD）代码。最典型的例外是：（1）在正在解决的问题中没有对流传热机制，因为物体可能处于真空状态，只能通过传导和辐射传输热量; 或者（2）当估算值足够时，热解决方案可能不需要很大的精度来反映物理测试，这可能是在早期设计阶段。流动模拟是更好的选择的主要原因将在一系列的三个部分中概述。

（江苏SOLIDWORKS）苏州卓盛信息如上所述，有三种传热模式：传导，对流和辐射。我已经制作了一个长篇视频，详细解释了所有这些模式，请参见底部的链接，所以我将在本系列中仅对它们进行总结。

2.流动模拟更适合解决共轭传热问题。

您是否知道在1960年代之前，解决传导，对流和辐射的过程是分开处理它们？正如（SOLIDWORKS代理商）卓盛信息所料，这不是解决真实物理过程的准确方法。近年来随着计算分析的进步，采用了一种将传热过程结合在一起的新方法，因此“共轭”传热问题是将两种（或全部三种）模式中的任何一种同时组合起来。

SOLIDWORKS Simulation使用有限体积（FV）方法求解CFD方程，其中三种守恒方法（质量，动量和能量）和状态方程都得到维持。换句话说，压力，温度，速度和流体性质都彼此紧密相关。对于给定的离散化几何（或网格）和边界条件（BC），迭代求解所有这些高度非线性耦合方程的集合。购买SOLIDWORKS，解决热CFD问题可能需要一些时间，可能需要几分钟到几个小时，具体取决于问题的复杂程度。但好处是用户输入可以像设置环境温度和压力一样简单，并且以瓦特为单位的热功率量由设计中的组件消耗。

无需为模拟专业人员定义湿润表面上的对流热系数（h）和流体温度，因为SOLIDWORKS Simulation求解器以非常本地化的方式为每个计算体积或单元格计算它。即使花费时间和精力来分别计算每个水平和垂直表面的平均h值，它仍然不会那么详细。注意，h高度依赖于几个因素，例如表面取向，速度，壁温，壁形，固体和流体性质，表面状况等。尝试预测或估计这些值是使用表格或手动计算的繁琐任务，因此我们只需使用一系列典型的自由或强制对流值。结果，购买SOLIDWORKS

例如，看一下位于图3中风扇前面的散热器表面上的对流传热系数的局部变化。您可以清楚地看到风扇的强制对流如何吹过热量下沉导致较高的h值，在60-90 W / m 2 K之间，并且在后面，值显着下降至小于20 W / m 2 K.

图3：带有入口风扇的强制对流电子设备外壳中散热器上的传热系数[W / m2K]。

（江苏SOLIDWORKS）苏州卓盛信息在下一个示例中，具有四个芯片的简单测试板垂直于重力定向，以允许更多浮力热空气在自由对流问题中上升。图4显示了左侧流动模拟计算的溶液后变化的传热系数与作为已知BC值的总体平均5.575 W / m 2 K 的比较。到Simulation Professional中的所有电路板表面。SOLIDWORKS价格，图5中的温度表明，Simulation Professional解决方案的温度分布比更逼真的Flow Simulation结果更均匀。左上角芯片的温度在流动模拟结果中是不同的，因为它展示了从下面的芯片上升的热空气如何使其变得比Simulation Professional解决方案建议的更热; 这是两种不同包装如何处理对流的不同方法的直接相关性。（SOLIDWORKS代理商）卓盛信息另请注意，图例显示的环境温度为20°C至最大计算温度，并注意Simulation Professional结果远低于Flow Simulation解决方案。假设我们理论上两种解决方案都不正确，我仍然宁愿在较为保守，温度较高的方面犯错误。[注意，5.575的值位于自由对流估计值的下方，空气通常在5到25 W / m之间2 K.值为3.835而不是它与SOLIDWORKS Simulation的最高温度相匹配。

图4：在左侧，通过SOLIDWORKS Simulation求解的外部自由对流问题的传热系数[W / m 2 K]，在右侧，作为BC 的对流系数为5.575 W / m 2 K Simulation Professional中的外部曲面。

图5：带有入口风扇的强制对流电子设备外壳中散热器上的传热系数[W / m2K]

SOLIDWORKS代理商可能会认为辐射并非都非常重要，除非温度变得很热但是您会误会，因为它是散热器的关键冷却方法之一，例如，如果您不将它包含在温和的温度下温度可能会导致模型在一定百分比内不受物理测试结果的影响。对于绝对零度，0开尔文以上的所有物体，通过光子在电磁波中进行热辐射，使得像熔岩一样的非常热的物体在可见光谱中发红光。

在辐射传热方面，模拟专业和流动模拟的能力在面值上是相同的，但在实际使用中执行的方式不同; 两者都能够进行太阳/环境辐射以及身体到身体的辐射。（江苏SOLIDWORKS）苏州卓盛信息物体在其表面“看到”（即视角因子）的热辐射比率仅取决于几何形状; 想到白天坐在树荫下的树荫下，而不是在阳光明媚的前面。Simulation Professional解决辐射视图因子的方法是在求解温度之前先进行计算。它带来了一个巨大的几何问题，即每个朝外的元素面对参与辐射的每个其他元素面的贡献; 因此，（SOLIDWORKS代理商）卓盛信息建议在Simulation Professional中使用包含辐射的相当粗糙的网格，否则您可能需要等待很长时间才能完成视图因子计算，请参见图6.对于Simulation Professional中的相同模型和网格解决对流冷却问题只需5秒钟，但当包括表面到表面辐射时，购买SOLIDWORKS解决方案时间总共需要147分钟，观察因子计算大约需要70分钟; 这是一个总时间增加超过1750倍，其中视图因子计算占用了48％的时间。[注意，一旦执行了视图因子计算，只要网格没有改变，就不需要再次运行，例如，如果你想测试不同的功率输入。 否则你可能需要等待很长时间才能完成视图因子计算，参见图6.对于Simulation Professional中的相同模型和网格，只需5秒即可解决对流冷却问题，但是当表面到表面时包括表面辐射，解决时间总共需要147分钟，观察因子计算大约需要70分钟; 这是一个总时间增加超过1750倍，其中视图因子计算占用了48％的时间。[注意，一旦执行了视图因子计算，只要网格没有改变，就不需要再次运行，（江苏SOLIDWORKS）苏州卓盛信息例如，如果你想测试不同的功率输入。] 否则你可能需要等待很长时间才能完成视图因子计算，参见图6.对于SOLIDWORKS Simulation Professional中的相同模型和网格，只需5秒即可解决对流冷却问题，但是当表面到表面时包括表面辐射，解决时间总共需要147分钟，观察因子计算大约需要70分钟; 这是一个总时间增加超过1750倍，其中视图因子计算占用了48％的时间。[注意，一旦执行了视图因子计算，只要网格没有改变，就不需要再次运行，例如，如果你想测试不同的功率输入。] 解决对流冷却问题只需要5秒钟，但是当包括表面到表面辐射时，解决方案时间总共需要147分钟，观察因子计算大约需要70分钟; 这是一个总时间增加超过1750倍，其中视图因子计算占用了48％的时间。[注意，一旦执行了视图因子计算，只要网格没有改变，就不需要再次运行，例如，如果你想测试不同的功率输入。] 解决对流冷却问题只需要5秒钟，但是当包括表面到表面辐射时，解决方案时间总共需要147分钟，观察因子计算大约需要70分钟; 这是一个总时间增加超过1750倍，其中视图因子计算占用了48％的时间。[注意，一旦执行了视图因子计算，只要网格没有改变，（SOLIDWORKS代理商）卓盛信息就不需要再次运行，例如，如果你想测试不同的功率输入。]

流模拟求解器处理辐射（包括视图因子计算），只需将其作为正常迭代求解器的一部分。似乎解决包含辐射的模型确实需要更长的时间，但这不是一个相当长的时间; 你看到的最多的是每次迭代之间屏幕底部的一条消息几秒钟，当它更新时会显示“Refining rays”，见图7。

图6：Simulation Professional辐射视图因子计算对话框。

图7：Flow Simulation求解器更新求解器监视窗口底部的辐射计算消息“Refining rays”。

共轭传热测试“带反射器的灯”模型的结果显示在图8中，其中在溶液中使用所有三种传热模式。在具有85,564个元素的SOLIDWORKS Simulation Professional中求解模型的时间是2h27m22s，对于具有82,703个固体细胞的流动模拟（以及包括263,876个流体和流体接触固体细胞的346,579个总细胞）是9m17s。（江苏SOLIDWORKS）苏州卓盛信息由于网格的大小大致相当，因此Simulation Professional解决方案需要花费近16倍的时间来解决。解决流动模拟中样本问题的时间差异（包括辐射与非辐射）相差1m48s，仅增加了24％。

图8：测试结果的比较“带反射器的灯”模型解决为包括传导，对流和辐射的共轭传热模拟。

（SOLIDWORKS代理商）卓盛信息最后是最后一个示例问题，这次仅针对PCB上的共轭传热问题的流动模拟，包括自由对流，传导和辐射。在该问题中考虑的附加项目是铜迹线中的欧姆（或焦耳）加热，其中可以将电压电势或电流引入电阻材料（例如铜），以计算电路中消耗的热功率量。SOLIDWORKS Simulation中提供此功能作为附加电子冷却套件。图9显示了从热部件中留下的辐射通量，图10显示了通量图，这是2019年发布的新版本，辐射是冷却的最大贡献者（54％）。根据相关的饼图，大约30％到达周围的液体，

图9：在具有铜迹线的步进电机驱动器PCB模型上留下辐射磁通图。

图10：由于辐射和传导以及与周围空气流体的对流而离开PCB的热量的通量图; 饼图显示辐射占传热量的50％以上。

不要忘记在正版SOLIDWORKS技术博客上查看Flow Simulation的热分析功能系列的最后部分！如果您错过了它，请回顾第1部分！

一如以往，谢谢阅读，快乐阳光！——江苏SOLIDWORKS代理商（SOLIDWORKS 2018）

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