 |
خنک کننده تراشه الکترونیکی
معرفی
این مدل مقدمه ای بر شبیه سازی خنک کننده دستگاه است. یک دستگاه (در اینجا یک تراشه مرتبط با یک هیت سینک) توسط یک مایع اطراف خنک می شود، در این مورد هوا. این آموزش مراحل مهم زیر را نشان می دهد:
• | تعریف نرخ گرما در یک دامنه با استفاده از محاسبه حجم خودکار. |
• | مدلسازی اختلاف دما بین دو سطح در صورت وجود یک لایه ضخیم حرارتی. |
• | از جمله انتقال حرارت تابشی بین سطوح در یک مدل. |
علاوه بر این، این آموزش دو رویکرد را برای مدل سازی خنک کننده هوا مقایسه می کند. اول، فقط جامد نشان داده می شود و یک شرایط مرزی شار حرارتی خنک کننده همرفتی برای محاسبه انتقال حرارت بین جامد و سیال استفاده می شود. در مرحله دوم، حوزه هوا در مدل گنجانده شده و یک مدل جریان غیر گرمایی تعریف می‌شود.
تعریف مدل
سیستم مدل‌سازی‌شده یک هیت سینک آلومینیومی را توصیف می‌کند که برای خنک‌سازی یک تراشه الکترونیکی استفاده می‌شود، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است .
شکل 1: هندسه هیت سینک و تراشه الکترونیکی.
هیت سینک نشان داده شده به رنگ خاکستری در شکل 1 در داخل کانالی با مقطع مستطیلی نصب شده است. چنین تنظیماتی برای اندازه گیری ظرفیت خنک کننده هیت سینک ها استفاده می شود. هوا از ورودی وارد کانال می شود و در خروجی از کانال خارج می شود. گریس حرارتی برای بهبود تماس حرارتی بین پایه هیت سینک و سطح بالایی قطعه الکترونیکی استفاده می شود. تمام سطوح خارجی دیگر عایق حرارتی هستند. گرمای دفع شده توسط قطعه الکترونیکی برابر با 5 وات است و از طریق حجم تراشه توزیع می شود.
ظرفیت خنک کننده هیت سینک را می توان با نظارت بر دما در قطعه الکترونیکی تعیین کرد.
این مدل تعادل حرارتی را برای قطعه الکترونیکی، هیت سینک و جریان هوا در کانال مستطیلی حل می کند. انرژی حرارتی توسط رسانایی در قطعه الکترونیکی و هیت سینک آلومینیومی منتقل می شود. انرژی حرارتی از طریق هدایت و فرارفت در هوای خنک کننده منتقل می شود. مگر اینکه از یک گریس حرارتی کارآمد برای بهبود تماس حرارتی بین قطعه الکترونیکی و هیت سینک استفاده شود، میدان دما در آنجا به شدت تغییر می کند. دما در ورودی کانال تنظیم می شود. انتقال انرژی حرارتی در خروجی تحت سلطه همرفت است.
در ابتدا، انتقال حرارت توسط تابش بین سطوح نادیده گرفته می شود. این فرض معتبر است زیرا سطوح دارای تابش کم (نزدیک به 0) هستند، که معمولاً برای فلزات صیقلی صادق است. در مواردی که تابش سطحی زیاد است (نزدیک به 1)، تابش سطح به سطح باید در نظر گرفته شود. این بعداً در این آموزش انجام می شود، جایی که مدل برای محاسبه تابش سطح به سطح در دیواره های کانال و مرزهای هیت سینک اصلاح می شود. با فرض اینکه سطوح با رنگ مشکی کار شده اند، در این حالت دوم میزان انتشار سطح نزدیک به 1 است.
میدان جریان با حل یک رابطه موازنه تکانه برای هر مختصات فضایی ( x ، y ، و z ) و یک معادله موازنه جرم به دست می‌آید. سرعت ورودی با یک پروفیل سرعت سهموی برای جریان آرام کاملاً توسعه یافته تعریف می شود. در خروجی، تنش نرمال برابر با فشار خروجی است و تنش مماسی لغو می شود. در تمام سطوح جامد، سرعت در هر سه جهت مکانی صفر است.
رسانایی حرارتی هوا، ظرفیت گرمایی هوا و چگالی هوا همگی از خواص مواد وابسته به دما هستند. شما می توانید تمام تنظیمات را در رابط فیزیک برای انتقال حرارت مزدوج در COMSOL Multiphysics پیدا کنید. خواص مواد، از جمله وابستگی به دمای آنها، در مرورگر مواد موجود است.
نتایج و بحث
مدلسازی با استفاده از شرایط مرزی خنک کننده همرفتی
در این قسمت از مدل، تنها حوزه های جامد نشان داده می شوند. به جای محاسبه سرعت جریان، فشار و دما در کانال هوا، از یک شرط مرزی خنک کننده همرفتی در مرزهای هیت سینک استفاده می شود. این رویکرد محاسبات بسیار سریع را امکان پذیر می کند، اما دقت آن به ضریب انتقال حرارتی که برای تعریف شرایط خنک کننده همرفتی استفاده می شود، متکی است. در این پیکربندی، یک مقدار تجربی، 10 W/(m2 · K)، استفاده می شود.
در مرحله بعد، برای مدل سازی تماس حرارتی بین هیت سینک و تراشه سه فرضیه در نظر گرفته شده است. در یک شبیه سازی اول یک تماس ایده آل در نظر گرفته شده است.
شکل 2: نمودار دمای هیت سینک برای اولین پیکربندی.
در شرایط ایده آل، حداکثر دما در تراشه حدود 84 درجه سانتیگراد است.
در شبیه سازی دوم، یک لایه هوا به ضخامت 50 میکرومتر بین هیت سینک و تراشه فرض می شود که مقاومت حرارتی ایجاد می کند.
شکل 3: نمودار دمای هیت سینک برای پیکربندی دوم.
مقاومت حرارتی عملکرد هیت سینک را کاهش می دهد و حداکثر دما نزدیک به 95 درجه سانتیگراد است.
در نهایت، پیکربندی سومی آزمایش می‌شود که در آن لایه نازک به جای هوا حاوی گریس حرارتی است.
شکل 4: نمودار دما.
حداکثر دما نزدیک به دمای مشاهده شده در اولین پیکربندی با یک تماس حرارتی ایده آل است. این بدان معنی است که اثر مقاومت حرارتی توسط گریس حرارتی که رسانایی حرارتی بالاتری نسبت به هوا دارد، بسیار کاهش می یابد.
مدلسازی با استفاده از جریان غیر گرمایی در کانال
از آنجایی که ضریب انتقال حرارت به طور کلی ناشناخته است، یک رویکرد جایگزین مناسب است. در این قسمت یک دامنه مربوط به کانال هوا به هندسه اضافه می شود تا جریان و میدان دما در هوا محاسبه شود. این منجر به شبیه‌سازی‌های محاسباتی گران‌تر می‌شود، اما رویکرد کلی‌تر است.
در شکل 5 ، پیاز داغ پشت هیت سینک نشانه ای از اثرات خنک کننده همرفتی است. حداکثر دمایی که در قطعه الکترونیکی به دست آمده است، حدود 85 درجه سانتیگراد است.
شکل 5: نمودار سطح، میدان دما را روی دیواره های کانال و سطح هیت سینک نشان می دهد.
در مقایسه با رویکرد اول (بدون حوزه هوا)، نتایج متفاوت است. این نشان می دهد که استفاده از ضریب انتقال حرارت که به خوبی شناخته نشده است، مانند رویکرد اول، منجر به نتایج نادرست می شود.
در مرحله دوم، میدان‌های دما و سرعت زمانی به دست می‌آیند که تشعشعات سطح به سطح گنجانده شود و گسیل‌های سطحی زیاد باشد. شکل 6 نشان می دهد که حداکثر دما، حدود 75 درجه سانتیگراد، در مقایسه با حالت اول در شکل 5 ، حدود 10 درجه سانتیگراد کاهش یافته است . این تأیید می کند که انتقال حرارت تشعشعی زمانی که گسیل سطح نزدیک به 1 باشد ناچیز نیست.
شکل 6: اثرات تابش سطح به سطح بر دما. نمودار سطح، میدان دما را روی دیواره های کانال و سطح هیت سینک نشان می دهد.
مسیر کتابخانه برنامه: ماژول_انتقال_حرارت/آموزش_اجباری_و_همرفت_طبیعی/خنک_کردن_تراشه
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی  3D کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، Heat Transfer>Heat Transfer in Solids and Fluids (ht) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Stationary را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 |  روی Load from File کلیک کنید . |
4 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل chip_cooling.txt دوبار کلیک کنید . |
هندسه 1
بلوک 1 (blk1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Block کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Block ، قسمت Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width ، L_chip را تایپ کنید . |
4 | در قسمت Depth text L_chip را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن ارتفاع ، H_chip را تایپ کنید . |
6 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن z ، -H_chip را تایپ کنید . |
7 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
کتابخانه های بخش
1 | در نوار ابزار هندسه ، روی  قسمت‌ها کلیک کنید و قسمت کتابخانه‌ها را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Model Builder ، روی Geometry 1 کلیک کنید . |
3 | در پنجره Part Libraries ، Heat Transfer Module>Heat Sinks>heat_sink_straight_fins را در درخت انتخاب کنید . |
4 |  روی افزودن به هندسه کلیک کنید . |
هندسه 1
Heat Sink – Straight Fins 1 (pi1)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Geometry 1 روی Heat Sink – Straight Fins 1 (pi1) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمونه قسمت ، قسمت پارامترهای ورودی را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | ارزش | شرح |
n_fins_x | n_fins | 4 | تعداد باله ها در جهت x |
X_fins_bottom | 3[mm] | 0.003 متر | بعد باین در جهت x، پایین |
X_fins_top | 2[mm] | 0.002 متر | بعد فین در جهت x، بالا |
4 | قسمت Position and Orientation of Output را پیدا کنید . سیستم مختصات را در بخش فرعی پیدا کنید . از لیست Work plane in part ، Work plane for heat sink base (wp11) را انتخاب کنید . |
5 | زیربخش Displacement را پیدا کنید . در قسمت نوشتار xw ، -5[mm] را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن yw ، -5[mm] را تایپ کنید . |
7 | برای گسترش بخش Domain Selections کلیک کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | نگاه داشتن | فیزیک | کمک به |
پایه سینک حرارتی | √ | هیچ یک | |
دامنه مرحله | √ | هیچ یک | |
مجموعه ای از باله ها | √ | هیچ یک | |
همه | √ | √ | هیچ یک |
8 | برای جمع کردن بخش Domain Selections کلیک کنید . برای گسترش بخش انتخاب مرزها کلیک کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | نگاه داشتن | فیزیک | کمک به |
مرز پایین | √ | هیچ یک | |
خارجی | √ | هیچ یک | |
مرزهای خارجی بدون پایه هیت سینک | √ | √ | هیچ یک |
همه | √ | هیچ یک |
9 | برای جمع کردن بخش Boundary Selections کلیک کنید . در نوار ابزار Geometry ، روی  ساختن همه کلیک کنید . |
10 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، Built-in>Aluminium را انتخاب کنید . |
4 | کلیک راست کرده و Add to Component 1 (comp1) را انتخاب کنید . |
5 | در درخت، Built-in>Silica glass را انتخاب کنید . |
6 | کلیک راست کرده و Add to Component 1 (comp1) را انتخاب کنید . |
7 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
مواد
شیشه سیلیکا (mat2)
1 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
2 |  روی دکمه Wireframe Rendering در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
3 | فقط دامنه 3 را انتخاب کنید. |
به منظور استفاده مجدد از انتخاب دامنه مربوط به تراشه، یک انتخاب اختصاصی برای آن ایجاد کنید.
4 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
5 |  روی ایجاد انتخاب کلیک کنید . |
6 | در کادر محاوره ای Create Selection ، در قسمت متن Selection name، Chip را تایپ کنید . |
7 | روی OK کلیک کنید . |
تعاریف
ویژگی های محیط 1 (apr1)
در نوار ابزار Physics ، روی Shared Properties کلیک کنید و Ambient Properties را انتخاب کنید .
Shared Properties کلیک کنید و Ambient Properties را انتخاب کنید .انتقال حرارت در جامدات و سیالات (HT)
منبع حرارت 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی انتقال حرارت در جامدات و سیالات (ht) کلیک راست کرده و منبع حرارت را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای منبع گرما ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، تراشه را انتخاب کنید . |
4 | قسمت منبع حرارت را پیدا کنید . از لیست منبع گرما ، نرخ گرما را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متنی P 0 ، P0 را تایپ کنید . |
شار حرارتی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Heat Flux را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای شار گرما ، بخش انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، مرزهای خارجی بدون پایه هیت سینک (Heat Sink – Straight Fins 1) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Heat Flux را پیدا کنید . از لیست نوع شار ، شار حرارتی همرفتی را انتخاب کنید . |
ابتدا ضریب انتقال حرارت تعریف شده از یک پارامتر را وارد کنید.
5 | در قسمت متن h ، h0 را تایپ کنید . |
سپس دمای خارجی بر روی دمای محیط تعریف شده در گره Ambient Properties 1 تنظیم می شود (مقدار پیش فرض 293.15 K است).
6 | از لیست T ext ، دمای محیط (ampr1) را انتخاب کنید . |
7 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
محاسبه چند ثانیه و حدود 1 گیگابایت حافظه طول می کشد.
نتایج
دما (ht)
دو نمودار پیش فرض به طور خودکار تولید می شود. اولی مشخصات دما را روی مرزها نشان می دهد و دومی سطوح همدما را نشان می دهد. اولی را تغییر دهید تا دما را در رابط بین تراشه و هیت سینک نیز نمایش دهد. از نمودارهای حجمی برای ساده کردن تعریف انتخاب ها با استفاده مجدد از انتخاب دامنه های موجود استفاده کنید.
سطح
1 | در پنجره Model Builder ، گره Temperature (ht) را گسترش دهید . |
2 | روی Results>Temperature (ht)>Surface کلیک راست کرده و Delete را انتخاب کنید . |
جلد 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Temperature (ht) کلیک راست کرده و Volume را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای حجم ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | از لیست واحد ، degC را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید .  روی تغییر جدول رنگ کلیک کنید . |
5 | در کادر محاوره ای Color Table ، Thermal>HeatCameraLight را در درخت انتخاب کنید. |
6 | روی OK کلیک کنید . |
انتخاب 1
1 | روی جلد 1 کلیک راست کرده و Selection را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب ، قسمت انتخاب را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، تراشه را انتخاب کنید . |
جلد 2
در پنجره Model Builder ، در Results>Temperature (ht) روی Volume 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید .
انتخاب 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Volume 2 را گسترش دهید ، سپس روی Selection 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب ، قسمت انتخاب را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه (Heat Sink – Straight Fins 1) را انتخاب کنید . |
جلد 2
1 | در پنجره Model Builder ، روی Volume 2 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای حجم ، برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . |
3 | از لیست نوع عنوان ، هیچکدام را انتخاب کنید . |
4 | برای گسترش بخش Inherit Style کلیک کنید . از لیست Plot ، جلد 1 را انتخاب کنید . |
فیلتر 1
1 | روی جلد 2 کلیک راست کرده و Filter را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای فیلتر ، قسمت انتخاب عنصر را پیدا کنید . |
3 | در قسمت عبارت Logical for inclusion متن، x>0.02 را تایپ کنید . |
4 | در نوار ابزار دما (ht) ، روی  Plot کلیک کنید . |
با نمودار دما که در بالا نشان داده شده است مقایسه کنید.
هندسه 1
1 |  روی دکمه Go to Default View در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
2 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
اکنون مدل را برای ارزیابی اثر تماس حرارتی بین تراشه و هیت سینک به روز کنید. ابتدا تماس حرارتی ضعیفی را به دلیل لایه نازکی از هوا بین تراشه و هیت سینک فرض کنید.
انتقال حرارت در جامدات و سیالات (HT)
تماس حرارتی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Thermal Contact را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 15 را انتخاب کنید. |
برای سهولت در انتخاب این مرز در مراحل زیر، یک انتخاب اختصاصی برای آن ایجاد کنید.
3 | در پنجره تنظیمات برای تماس حرارتی ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
4 |  روی ایجاد انتخاب کلیک کنید . |
5 | در کادر محاوره ای Create Selection ، Chip/Heat Sink Interface را در قسمت متن Selection name تایپ کنید . |
6 | روی OK کلیک کنید . |
7 | در پنجره تنظیمات برای تماس حرارتی ، بخش تماس حرارتی را پیدا کنید . |
8 | از لیست مدل تماس ، لایه مقاومتی نازک معادل را انتخاب کنید . |
9 | از لیست Specify ، رسانایی حرارتی لایه و ضخامت را انتخاب کنید . |
10 | در قسمت متن d 50[um] را تایپ کنید . |
مواد
مواد (هوا) موجود در رابط بین تراشه و هیت سینک را تعریف کنید.
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، Built-in>Air را انتخاب کنید . |
4 | کلیک راست کرده و Add to Component 1 (comp1) را انتخاب کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
مواد
هوا (مت3)
1 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
2 | از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
3 | از فهرست انتخاب ، رابط چیپ/حرارت سینک را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
دما (ht)
1 |  روی محاسبه کلیک کنید . |
نمودار دما پس از محاسبه به روز می شود. توجه داشته باشید که وجود لایه نازک هوا بین تراشه و هیت سینک باعث افزایش بیش از 10 درجه سانتی گراد در حداکثر دما می شود.
حال فرض کنید از گریس حرارتی برای جلوگیری از ایجاد لایه هوا در سطح مشترک بین تراشه و هیت سینک استفاده می شود. مدل را به روز کنید تا بررسی کنید که چگونه با این تغییر خنک کننده بهبود یافته است.
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، Built-in>Thermal grease را انتخاب کنید . |
4 | کلیک راست کرده و Add to Component 1 (comp1) را انتخاب کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
مواد
گریس حرارتی (mat4)
1 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
2 | از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
3 | از فهرست انتخاب ، رابط چیپ/حرارت سینک را انتخاب کنید . |
مثلث قرمز در نماد مواد هوا نشان می دهد که توسط ماده گریس حرارتی نادیده گرفته شده است .
4 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
دما (ht)
نمودار دما به روز می شود و توزیع دما را هنگام استفاده از گریس حرارتی نشان می دهد.
در این مرحله می توانیم تأثیر کیفیت تماس حرارتی را ارزیابی کنیم. در اولین محاسبات، تماس حرارتی ایده آل و حداکثر دما در حدود 84 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شد. هنگام محاسبه یک لایه هوا با عرض 50 میکرومتر، حداکثر دما نزدیک به 95 درجه سانتیگراد بود. استفاده از گریس حرارتی برای افزایش تماس حرارتی در اینجا کارآمد به نظر می رسد زیرا حداکثر دما فقط کمی بالاتر از حالت اولیه تماس حرارتی ایده آل است.
در بخش اول، ما از یک شرط مرزی خنک کننده همرفتی برای محاسبه خنک کننده جریان هوا استفاده کرده ایم. در حالی که تعدادی پیکربندی هندسی وجود دارد که ضریب انتقال حرارت برای آنها با دقت بسیار خوبی شناخته شده است، این مورد برای این هندسه هیت سینک خاص نیست.
مدل را طوری تغییر دهید که کانال هوا را در هندسه لحاظ کند و سرعت هوا را محاسبه کند. سپس، می توانید بدون اتکا به هیچ گونه تقریبی از ضریب انتقال حرارت، خنک کننده جریان را با دقت مدل کنید.
هندسه 1
بلوک 2 (بلک2)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Block کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Block ، قسمت Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width ، W_channel را تایپ کنید . |
4 | در قسمت Depth text D_channel را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن ارتفاع ، H_channel را تایپ کنید . |
6 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن x ، -(W_channel-40[mm])/2 را تایپ کنید . |
7 | در قسمت متن y ، -80[mm] را تایپ کنید . |
8 | در نوار ابزار Geometry ، روی  ساختن همه کلیک کنید . |
9 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
ویژگی های مواد را در دامنه کانال جدید ایجاد کنید.
مواد
آب 1 (mat5)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Materials روی Air (mat3) کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
این یک نمونه جدید از مواد Air ایجاد می کند که در انتخاب دامنه مربوط به کانال اعمال می شود.
2 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
3 | از لیست سطح نهاد هندسی ، دامنه را انتخاب کنید . |
4 | فقط دامنه 1 را انتخاب کنید. |
5 |  روی ایجاد انتخاب کلیک کنید . |
6 | در کادر محاوره ای Create Selection ، در قسمت متن Selection name، Air را تایپ کنید . |
7 | روی OK کلیک کنید . |
فیزیک را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Physics کلیک کنید تا پنجره Add Physics باز شود . |
2 | به پنجره Add Physics بروید . |
3 | در درخت، Fluid Flow>Single-Phase Flow>Laminar Flow (spf) را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component 1 در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Physics کلیک کنید تا پنجره Add Physics بسته شود . |
جریان آرام (SPF)
مشخص کنید که رابط جریان فقط در کانال هوا فعال باشد.
1 | در پنجره Settings for Laminar Flow ، بخش Domain Selection را پیدا کنید . |
2 | از لیست انتخاب ، هوا را انتخاب کنید . |
ورودی 1
1 | روی Component 1 (comp1)> Laminar Flow (spf) کلیک راست کرده و Inlet را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 2 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای ورودی ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
4 |  روی ایجاد انتخاب کلیک کنید . |
5 | در کادر محاوره ای Create Selection ، در قسمت متن Selection name Inlet را تایپ کنید . |
6 | روی OK کلیک کنید . |
7 | در پنجره تنظیمات برای ورودی ، بخش Boundary Condition را پیدا کنید . |
8 | از لیست، جریان کاملاً توسعه یافته را انتخاب کنید . |
9 | قسمت Fully Developed Flow را پیدا کنید . در قسمت متن U av ، U0 را تایپ کنید . |
خروجی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Outlet را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 5 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای Outlet ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
4 |  روی ایجاد انتخاب کلیک کنید . |
5 | در کادر محاوره ای Create Selection ، Outlet را در قسمت متن Selection name تایپ کنید . |
6 | روی OK کلیک کنید . |
انتقال حرارت در جامدات و سیالات (HT)
شار حرارتی 1
مرزهایی که شرایط شار حرارتی اعمال شده است، دیگر مرزهای خارجی نیستند، بنابراین شرایط شار حرارتی را نمی توان اعمال کرد. در عوض، یک شرط تداوم به طور پیش فرض بین حوزه جامد و سیال اعمال می شود.
مایع 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Fluid 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Fluid ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، هوا را انتخاب کنید . |
جریان 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Inflow را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جریان ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، ورودی را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Upstream Properties را پیدا کنید . از لیست T ustr ، دمای محیط (ampr1) را انتخاب کنید . |
خروجی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Outflow را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات خروجی ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، Outlet را انتخاب کنید . |
جزء 1 (COMP1)
اکنون ویژگی چندفیزیکی جریان غیر گرمایی را برای جفت کردن رابط های انتقال حرارت در جامدات و جریان آرام اضافه کنید . با انجام این کار، به ویژه مطمئن می شوید که میدان سرعت محاسبه شده توسط رابط جریان لایه ای توسط ویژگی Fluid 1 در رابط انتقال حرارت استفاده می شود . علاوه بر این، وابستگی دمایی خواص مواد در رابط جریان از میدان دمایی محاسبه‌شده توسط رابط انتقال حرارت تعریف می‌شود .
MULTIPHYSICS را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Add Multiphysics کلیک کنید تا پنجره Add Multiphysics باز شود . |
2 | به پنجره Add Multiphysics بروید . |
3 | در درخت، انتقال حرارت > انتقال حرارت مزدوج > جریان آرام را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Physics ، روی  Add Multiphysics کلیک کنید تا پنجره Add Multiphysics بسته شود . |
مش 1
از آنجایی که این آموزش برای بررسی قابلیت‌های مدلسازی انتقال حرارت در نظر گرفته شده است، یک مش درشت برای سرعت بخشیدن به محاسبات تعریف کنید. با این حال توجه داشته باشید که برای نتایج دقیق، مش ریزتر مورد نیاز است.
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Mesh 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مش ، قسمت Physics-Controlled Mesh را پیدا کنید . |
3 | از لیست اندازه عنصر ، Extremely coarse را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
محاسبه برای این مدل چند دقیقه طول می کشد و حدود 2 گیگابایت حافظه دارد. زمان محاسباتی طولانی تر به دلیل درجه آزادی اضافی مربوط به سرعت، فشار و دما در حوزه هوا است.
یک گروه نمودار دما ایجاد کنید و برخی از دیوارها را از نمایشگر پنهان کنید تا دما را روی هیت سینک و دیواره های کانال تجسم کنید.
نتایج
دما و جریان در کانال
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 3D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح سه بعدی ، دما و جریان را در کانال در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
سطح 1
1 | روی Temperature and flow در کانال کلیک راست کرده و Surface را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | از لیست واحد ، degC را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید .  روی تغییر جدول رنگ کلیک کنید . |
5 | در کادر محاوره ای Color Table ، Thermal>HeatCameraLight را در درخت انتخاب کنید. |
6 | روی OK کلیک کنید . |
هندسه 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Geometry 1 کلیک کنید . |
2 |  روی دکمه کلیک و پنهان کردن در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
3 | در باله شی ، فقط مرزهای 1، 2، 4 و 5 را انتخاب کنید. |
نتایج
دما و جریان در کانال
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Results روی دما و جریان در کانال کلیک کنید . |
فلش جلد 1
1 | در دما و جریان در نوار ابزار کانال ، روی حجم  پیکان کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای حجم پیکان ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Linar Flow>Velocity and Press>u,v,w – فیلد سرعت را انتخاب کنید . |
3 | قسمت تعیین موقعیت پیکان را پیدا کنید . زیربخش X grid points را پیدا کنید . در قسمت متنی Points عدد 30 را تایپ کنید . |
4 | زیربخش نقاط شبکه Y را پیدا کنید . در قسمت متنی Points عدد 50 را تایپ کنید . |
5 | زیربخش نقاط شبکه Z را پیدا کنید . در قسمت متنی Points عدد 30 را تایپ کنید . |
6 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . از لیست نوع پیکان ، مخروط را انتخاب کنید . |
7 | چک باکس Scale factor را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، 0.02 را تایپ کنید . |
بیان رنگ 1
1 | در دما و جریان در نوار ابزار کانال ، روی  Color Expression کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Color Expression ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Laminar Flow>Velocity and Press>spf.U – Velocity magnitude – m/s را انتخاب کنید . |
3 | در دما و جریان در نوار ابزار کانال ، روی  Plot کلیک کنید . |
4 | برای گسترش بخش Range کلیک کنید . تیک گزینه Manual color range را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت حداقل متن، 0.14 را تایپ کنید . |
6 | کادر بررسی Manual data range را انتخاب کنید . |
7 | در قسمت حداقل متن، 0.14 را تایپ کنید . |
8 | در دما و جریان در نوار ابزار کانال ، روی  Plot کلیک کنید . |
اکنون مدل را طوری تغییر دهید که اثرات تشعشعات سطح به سطح را شامل شود. ابتدا رابط فیزیک تابش سطح به سطح را به مدل اضافه کنید. سپس، اثرات تابش سطح به سطح بین هیت سینک و دیواره های کانال را مطالعه کنید.
فیزیک را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Physics کلیک کنید تا پنجره Add Physics باز شود . |
2 | به پنجره Add Physics بروید . |
3 | در درخت، Heat Transfer>Radiation>Surface-to-Surface Radiation (rad) را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component 1 در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Physics کلیک کنید تا پنجره Add Physics بسته شود . |
تابش سطح به سطح (RAD)
1 | در پنجره تنظیمات برای تابش سطح به سطح ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
2 | از لیست انتخاب ، مرزهای خارجی بدون پایه هیت سینک (Heat Sink – Straight Fins 1) را انتخاب کنید . |
3 | برای افزودن دیوارهای کانال، روی دکمه Paste Selection کلیک کنید و 1 3 4 44 را تایپ کنید (توجه داشته باشید که مرزهای 1 و 4 قبلا پنهان شده اند و در پنجره گرافیکی قابل مشاهده نیستند). |
انتخاب رابط اکنون شامل مرزهای 1، 3، 4، 6، 7، 9، 11-16، 22، 24-29، 31-35، 37، و 39-44 است.
به طور پیش فرض جهت تابش توسط کدورت دامنه ها کنترل می شود. قطعات جامد به طور خودکار به عنوان مات تعریف می شوند در حالی که قطعات مایع شفاف هستند. می توانید این تنظیم را با استفاده از ویژگی Opacity در رابط تابش سطح به سطح تغییر دهید .
هنگامی که شرط مرزی سطح پراکنده ، جهت تشعشع ساطع شده را به عنوان Opacity کنترل شده (تنظیم پیش فرض) تعریف می کند ، مرزهای انتخاب شده باید بین یک دامنه مات و شفاف قرار گیرند. نمای بیرونی به طور پیش فرض شفاف تعریف شده است. تنظیم پیش فرض را تغییر دهید تا نمای بیرونی مات شود و جهت تابش به طور خودکار روی دیواره های کانال مشخص شود.
کدورت 1
1 | روی Component 1 (comp1)> Surface-to-Surface Radiation (rad) کلیک راست کرده و Opacity را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Opacity ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه فضای خالی را انتخاب کنید . |
سطح پراکنده 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Diffuse Surface 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Diffuse Surface ، در نوار ابزار پنجره Graphics  ، در کنار  View Unhidden کلیک کنید ، سپس View All را انتخاب کنید . |
MULTIPHYSICS را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Add Multiphysics کلیک کنید تا پنجره Add Multiphysics باز شود . |
2 | به پنجره Add Multiphysics بروید . |
3 | در درخت، No Predefined Multiphysics Available برای واسط های فیزیک انتخاب شده را انتخاب کنید . |
4 | زیربخش Select the physics interfaces you want to coupled را پیدا کنید . در جدول، تیک Couple را برای جریان لایه (spf) پاک کنید . |
5 | در درخت، Heat Transfer>Radiation>Heat Transfer with Surface-to-Surface Radiation را انتخاب کنید . |
6 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
7 | در نوار ابزار Physics ، روی  Add Multiphysics کلیک کنید تا پنجره Add Multiphysics بسته شود . |
چند فیزیک
انتقال حرارت با تابش سطح به سطح 1 (htrad1)
در پنجره تنظیمات برای انتقال حرارت با تشعشع سطح به سطح ، در نوار ابزار پنجره گرافیک ، روی گزینه View Unhidden کلیک کنید ، سپس View Unhidden را انتخاب کنید .
مواد
دیوارهای سینک حرارتی
1 | در نوار ابزار Materials ، روی  Blank Material کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مواد ، Heat sink walls را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
4 | از لیست انتخاب ، مرزهای خارجی بدون پایه هیت سینک (Heat Sink – Straight Fins 1) را انتخاب کنید . |
5 | قسمت محتوای مواد را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
انتشار سطحی | epsilon_rad | 0.9 | 1 | پایه ای |
دیوارهای کانال
1 | در نوار ابزار Materials ، روی  Blank Material کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مواد ، Channel walls را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار پنجره Graphics ،  در کنار  View Unhidden کلیک کنید ، سپس View All را انتخاب کنید . |
5 | فقط مرزهای 1، 3، 4 و 44 را انتخاب کنید. |
6 | در نوار ابزار پنجره Graphics ،  در کنار  View Unhidden کلیک کنید ، سپس View Unhidden را انتخاب کنید . |
7 | قسمت محتوای مواد را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
انتشار سطحی | epsilon_rad | 0.85 | 1 | پایه ای |
برای اینکه راه حل قبلی را حفظ کنید و بتوانید آن را با این نسخه از مدل مقایسه کنید، یک مطالعه ثابت دوم اضافه کنید. و درست قبل از آن، اولین مطالعه را ویرایش کنید تا سطح به سطح را حذف کنید تا مطمئن شوید که در صورت حل مجدد همان راه حل محاسبه می شود.
مطالعه 1 بدون تشعشع
1 | در پنجره Model Builder ، روی Study 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مطالعه ، Study 1 Without Radiation را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
مرحله 1: ثابت
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش مطالعه 1 بدون تشعشع ، روی Step 1: Stationary کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Stationary ، بخش Physics and Variables Selection را پیدا کنید . |
3 | در جدول، کادر حل برای تابش سطح به سطح (rad) را پاک کنید . |
4 | در جدول، کادر حل برای انتقال حرارت با تابش سطح به سطح 1 (htrad1) را پاک کنید . |
اضافه کردن مطالعه
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study باز شود . |
2 | به پنجره Add Study بروید . |
3 | زیربخش مطالعات را پیدا کنید . در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Stationary را انتخاب کنید . |
4 | کلیک راست کرده و Add Study را انتخاب کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study بسته شود . |
مطالعه 2 با تشعشع
1 | در پنجره تنظیمات برای مطالعه ، Study 2 With Radiation را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
2 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
سطح 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Temperature (ht) 1 را گسترش دهید ، سپس روی Surface 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | از لیست واحد ، degC را انتخاب کنید . |
سطح 3
در پنجره Model Builder ، روی Surface 3 کلیک راست کرده و Disable را انتخاب کنید .
سطح 2
در پنجره Model Builder ، روی Surface 2 کلیک راست کرده و Disable را انتخاب کنید .
دما (ht) 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Temperature (ht) 1 کلیک کنید . |
2 | در نوار ابزار دما (ht) 1 ، روی  Plot کلیک کنید . |
با مقایسه این نمودار با نمودار دمای قبلی، مشاهده می کنیم که انتقال حرارت توسط تابش باعث خنک شدن قابل توجهی می شود و حداکثر دما حدود 10 درجه سانتیگراد کمتر است که تابش حرارتی در نظر گرفته شود.
به منظور تجسم دما در هر طرف تماس حرارتی، مراحل بعدی را دنبال کنید.
دما (ht) 1.1
روی Temperature (ht) 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید .
سطح 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Temperature (ht) 1.1 را گسترش دهید . |
2 | روی Results>Temperature (ht) 1.1>Surface 1 کلیک راست کرده و Delete را انتخاب کنید . |
3 | برای تایید روی Yes کلیک کنید . |
سطح 2
در پنجره Model Builder ، در Results>Temperature (ht) 1.1 روی Surface 2 کلیک راست کرده و Enable را انتخاب کنید .
سطح 3
در پنجره Model Builder ، روی Surface 3 کلیک راست کرده و Enable را انتخاب کنید .
دمای تماس (ht)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Results روی Temperature (ht) 1.1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح سه بعدی ، دمای تماس (ht) را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
وارونه
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Results>Contact temperatures (ht) روی Surface 2 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، Upside را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Expression را پیدا کنید . از لیست واحد ، degC را انتخاب کنید . |
4 | چک باکس Description را انتخاب کنید . در فیلد نوشتاری مرتبط، Upside temperature را تایپ کنید . |
5 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید .  روی تغییر جدول رنگ کلیک کنید . |
6 | در کادر محاوره ای Color Table ، Thermal>HeatCameraLight را در درخت انتخاب کنید. |
7 | روی OK کلیک کنید . |
جنبه منفی
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Results>Contact temperatures (ht) روی Surface 3 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، Downside را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Expression را پیدا کنید . از لیست واحد ، degC را انتخاب کنید . |
4 | چک باکس Description را انتخاب کنید . در فیلد نوشتاری مرتبط، Downside temperature را تایپ کنید . |
تغییر شکل
1 | در پنجره Model Builder ، گره Upside را گسترش دهید ، سپس روی Deformation کلیک کنید . |
2 | در نوار ابزار دماهای تماس (ht) ، روی  Plot کلیک کنید . |
