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专栏 | 导体焦耳热热流计算案例及方法讲解

2月前浏览8175

本文摘要(由AI生成):

本文介绍了使用SCDM和ANSYS Icepak软件进行电子散热仿真的详细流程。从模型准备、材料属性设置、网格划分、参数配置到求解计算和后处理,全面展示了电子散热仿真的步骤和要点。特别强调了网格划分和接触电阻对仿真结果的影响,以及如何通过设置监控点进行温度、电压势和电流密度的监测和分析。此外,作者还指出了在进行仿真时需要注意的问题和可能的优化方向,为读者提供了实用的参考和指导。

日常生活中,经常会碰到开关、断路器等电力工业品。这类工业品在其研发过程中,务必进行产品的焦耳热热流CAE分析或者测试,通过进行温升的仿真、测试分析,可以验证其内部结构设计是否可以满足温升要求;是否存在改进的空间及优化建议。

焦耳热引起的温升

什么是焦耳热呢?简单来说,当电流通过电导率有限的固体或液体时,其材料中的电阻损耗会使电能转化为热能,当传导电子通过碰撞的方式将能量传递给导体的原子时,便会在微小尺度上产生热量,这些热量称为焦耳热(也称电阻加热或欧姆加热)。

ANSYS Icepak作为一款优秀的CFD热流计算软件,提供了焦耳热计算的功能。由于焦耳热会导致器件局部区域不同的温升,温升不同势必会引起热变形,如下图所示,这热流-热变形(结构力学)耦合模拟需要通过ANSYS Workbench平台,使用ANSYS Icepak+Structural来完成,后续会针对此方面的内容进行讲解。

由于焦耳热温升引起的热变形

施耐德公司的工程师使用ANSYS Icepak对其两款产品(断路器、自动转换开关)进行了焦耳热热流模拟计算,以验证产品由于焦耳热导致的温升,进而决定导线和绝缘层的类型是否能够满足热管理的需要。 施耐德使用ANSYS软件进行了产品冷却性能的模拟,并与实际测试进行了比对。

微型断路器温升试验台

微型断路器(Miniature circuit breaker,简称MCB)端子是施耐德紧凑型断路器系列产品中的的子组件。MCB端子将断路装置与外部电路进行连接。自动转换开关是一种广泛应用于施耐德电气低压产品的开关装置。通过ANSYS的CAD修复模块SCDM,可以快速将微型断路器端子和自动转换开关的CAD模型导入ANSYS Icepak。下图为MCB端子原始结构设计和改进结构的温升比较,左图为端子原始设计的温度云图分布,右图为端子改进设计的温度云图分布。对比后可以发现,与原始设计相比,MCB端子改进后的设计可以降低约9℃的温升。

直接在MCB端子电流入口指定恒定安培的电流,然后将MCB端子暴露于25℃的室温下进行自然冷却。施耐德工程师进行了两种断路器端子的模拟计算,一种为63安培的端子,一种为25安培的端子。对63安培端子的结构设计作了厚度上的修改,使温度降低了9摄氏度。模拟和实验结果之间只有一个正负2度的偏差。对于25安培端子,温度测试结果证实了产品的安全性,并与实验结果吻合较好。

同样地,使用焦耳热模拟计算,对自动转换开关绝缘材料的设计进行了改进,导致了转换开关终端模型温度降低了约6℃。同样,仿真结果与实验结果吻合的比较好。

自动转换开关的温升测试平台

下图为自动转换开关的焦耳热热流模拟计算结果,左图为自动转换开关原始方案设计的温升云图,右图为改进方案的温升云图,可以发现,自动转换开关的温度有所降低。

自动转换开关的温升模拟计算

那么在ANSYS Icepak里如果对导体进行焦耳热热流模拟计算呢?下面通过一个案例对焦耳热计算的方法做详细的讲解说明。

1、导体的几何模型如下图所示,导体材料为铜,电流的输入、输出位置如下图所示,输入电流为30A。

2、首先在SCDM中选择电流输入输出的端口面,点击右键,选择复 制,然后再次点击右键,选择粘贴,建立了2个面单元模型;在SCDM中对导体及建立的输入输出端面进行重命名。      

3、使用SCDM的Workbench菜单,点击仿真简化,在简化类型中选择级别3(CAD对象),框选视图区域中所有的模型,SCDM自动将这些模型转换成Icepak热模型。

4、选择SCDM下的识别对象命令,将进出端的2个面类型由Plate转换成Source。在ANSYS Icepak中进行焦耳热计算时,务必保持电流进出口面为Source类型,然后在电流进口的Source属性中输入电流大小,在电流出口的Source属性中输入电压0V。   

     

5、点击SCDM的File——另存为,在输出类型中选择Icepak项目���*.icepakmodel)将模型输出为Icepak热模型。

6、直接使用Icepak软件打开输出的热模型,按照自然对流的空间设置,扩大Cabinet的空间尺寸(可以参考《ANSYS Icepak电子散热基础教程》),并设置其6个面为开口模型,具体坐标尺寸如下图。

7、选择4个导体模型,点击编辑按钮,打开多体编辑面板,在属性中选择材料为Cu-pure,选择Joule heating,点击后侧的Edit,选择Varying,保持电阻率Resistivity为1.72e-08,C为0.0039,点击Done。

8、点击电流输出面Source,在其属性中勾选Voltage/current source,点击Current,输入电流30Amp;同理,打开out的属性面板,选择Voltage为0V。   

9、框选模型树下的导体及进出口Source,点击右键,选择Set—Multi-level meshing level,在调出的面板中,输入多级网格级数2。   

10、重新选择导体及进出口Source模型,点击右键建立Assembly装配体模型,按照下图进行非连续性网格参数的设置,主要是设置非连续性网格的Slack扩展空间、Mesher type网格类型,最大网格尺寸等等。

11、点击划分网格按钮,选择Mesher-HD,选择Meshparameters—Coarse,其他保持默认设置,当画完网格后,点击Display,可以查看网格是否完全贴体。通过检查,发现螺旋的导体边界上局部区域有网格失真的现象。

打开多级网格的Editsize regions,点击new,新建局部加密,然后使用橙色的选择按钮,进行局部区域的尺寸设置,务必保证红色的方框能包含网格失真的区域,在Size中输入区域需要加密的尺寸(务必保证Size尺寸比失真区域的网格尺寸小),点击Accept,重新划分网格。

可以看出,局部区域加密后,螺旋导体的网格非常贴体,网格划分完成。重新点击网格控制面板中的Quality,对网格的质量进行检查。

12、点击Basicparameters,选择辐射换热,选择湍流流态,勾选自然冷却计算,设置重力方向,保持默认Defaults下的环境温度,设始化数值X速度为-0.15m/s;点击Accept。    拖动模型树下任意几何体至Points,设置温度监控点。

13、点击求解计算按钮,进行CFD计算,大约45步后完成导体的热流计算。

点击各个后处理显示,可以查看导体本身的温度分布、电压势分布、电流密度云图及速度矢量图等等。后处理各个结果如下图所示:

不同切面的温度云图

分布切面的速度矢量图

分布导体的温度云图分布

导体的电压势云图

分布导体的电流密度云图

14、如果读者需要考虑接触电阻对导体温度的影响,需要在SCDM中将接触位置的热源建立,如下图所示,将此热源导入ANSYS Icepak,并将接触电阻产生的热损耗输入此热源,然后进行整体的热流仿真计算,就可以得到导体的温度分布。

作者:王永康,仿真秀科普作者。

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IcepakWorkbench换热散热其他软件仿真体系
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首次发布时间:2019-02-14
最近编辑:2月前
仿真圈
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1条评论
晚吟
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3年前
优秀
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