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使用系统级模型演示Icepak的参数化及优化设计功能

2月前浏览10670

本文摘要(由AI生成):

本文介绍了一个利用Icepak参数化及优化设计功能的小系统级模型案例。该案例涉及一个由PCB上的一系列IC芯片组成的系统级模型,其中风扇用于散热装置的强制对流冷却,风扇性能采用非线性风机曲线来定义。芯片上安装有一个翅片挤压散热片对其提供散热。系统出口包括一个穿孔薄格栅。案例利用Icepak的参数化功能对风扇的安装位置进行优化设计。 首先,创建新工程并修改计算域尺寸。接着,创建风扇、格栅、壁面和芯片等模型。最后,创建装配体并生成网格,设置计算。在优化设计中,定义优化参数,创建监测点,并查看优化变量分布。

案例利用一个小的系统级模型演示Icepak的参数化及优化设计功能。

1 问题描述

案例涉及的系统级模型由PCB上的一系列IC芯片组成,其中风扇用于散热装置的强制对流冷却,风扇性能采用非线性风机曲线来定义。芯片上安装有一个翅片挤压散热片对其提供散热。系统出口包括一个穿孔薄格栅。

案例利用Icepak的参数化功能对风扇的安装位置进行优化设计。

2、创建新工程

  • 启动ANSYS Icepak,弹出如下图所示对话框

  • 点击New按钮打开新建工程对话框,如下图所示,指定工作路径及工程名称,点击按钮Create按钮创建工程

注:默认情况下Icepak创建了一个边长1m的立方体计算区域。

3、创建模型

3.1 修改计算域尺寸

  • 鼠标双击模型树节点Model → Cabinet,弹出属性设置对话框,进入Geometry标签页,如下图所示,指定计算域尺寸,点击按钮Done完成计算域修改

3.2 创建风扇

  • 点击工具栏按钮Create fans创建对象fan.1,双击模型树节点fan.1弹出设置对话框

  • 进入Geometry标签页,如下图所示设置对象的几何参数,设置zC$zc,点击Update按钮

  • 弹出参数值设置对话框,如下图所示,设置zc变量的初始值为0.1,点击按钮Done完成参数设置

  • 进入Properties标签页,设置Fan typeintake,激活选项Non-linear,选择Non-linear curve下的Edit → Text edit按钮打开对话框

  • 如下图所示,对话框中设置Volume flow unitscfm,设置Pressure unitsin_water,并在对话框中设置P-Q数据,注意第一列为流量,第二列为压力,中间以空格分隔,点击Accept按钮关闭对话框

  • 在属性标签页中可通过点击按钮Edit → Graph editor查看风扇的pq曲线

如下图所示为显示的风扇性能曲线。点击Done按钮关闭对话框

  • 进入Swirl标签页,设置RPM4000

此时计算模型如图所示。

3.3 创建格栅

  • 点击工具栏按钮Create grille创建壁面对象grille.1

  • 鼠标双击模型树节点grille.1弹出设置对话框,如下图所示,进入Geometry标签页,设置几何参数

  • 进入Properties标签页,设置Pressure loss specificationLoss coefficient,设Free area ratio0.5,指定Resistance typePerforated thin vent

  • 其他参数保持默认设置,点击按钮Done关闭对话框

计算模型如图所示。

3.4 创建壁面

  • 点击工具栏按钮Create walls创建壁面对象wall.1

  • 鼠标双击模型树节点wall.1弹出设置对话框,如下图所示,进入Geometry标签页,设置几何参数

  • 进入Properties标签页,设置Wall thickness0.01 m

  • 指定Solid materialFR-4,选择External conditionsHeat flux

完成计算模型如图所示。

3.5 创建芯片

  • 点击工具栏按钮Create blocks创建壁面对象block.1

  • 鼠标双击模型树节点block.1弹出设置对话框,如下图所示,进入Geometry标签页,设置几何参数

  • 进入Properties标签页,激活选项Individual sides,点击按钮Edit弹出设置对话框

  • 选中选项Min Y,激活选项Thermal properties及Resitance,设置Conductance0.005 W/C,点击按钮Accept激活壁面接触热阻

  • 设置Total power5 W,点击Done按钮关闭对话框

  • 鼠标右键选择模型树节点block.1,点击弹出菜单项Copy弹出对象**对话框

  • 如下图所示设置对象**参数,点击Apply按钮完成几何**

计算模型如图所示。

3.6 创建网络块

  • 点击工具栏按钮Create blocks创建壁面对象block.2

  • 鼠标双击模型树节点block.2弹出设置对话框,如下图所示,进入Geometry标签页,设置几何参数

  • 进入Properties标签页,设置Block typeNetwork,并指定Network typeStar network,设置元件参数,如下图所示,点击Done按钮关闭对话框

  • 鼠标右键选择模型树节点block.2,点击弹出菜单项Copy弹出对象**对话框

  • 如下图所示**几何对象

3.7 创建散热片

  • 点击工具栏按钮Create Heat sink创建壁面对象heatsink.1

  • 鼠标双击模型树节点heatsink.1弹出设置对话框,如下图所示,进入Geometry标签页,设置几何参数

  • 进入Properties标签页,如下图所示设置对象属性

  • 进入Flow/thermal data标签页,设置Base materialCu-Pure

  • 进入interface标签页,点击Fin bounding右侧按钮Edit,弹出热阻设置对话框,设置Effective thickness0.0002 m,点击Done按钮关闭对话框

最终完成的计算模型如图所示。

3.8 创建block

  • 点击工具栏按钮Create blocks创建壁面对象block.3

  • 设置Typehollow,几何参数如下图所示,点击Apply创建对象

最终计算模型如图所示。

3.9 创建装配体

创建装配体以便于为不同的部件指定网格尺寸。

  • 如下图所示,选择几何对象,点击鼠标右键,选择弹出菜单项Create → Assembly创建装配体,并修改名称为Heatsink-packages-asy

  • 鼠标右键点击模型树节点Model,选择弹出菜单项Create object → Assembly创建装配体,并修改名称为Fan-asy

注:创建装配体的目的是为后面网格划分做准备。

4、生成网格

  • 鼠标双击模型树节点Heatsink-packages-asy,弹出设置对话框,激活选项Mesh separately,并设置Slack参数,如下图所示

  • 鼠标双击模型树节点Fan-asy,弹出设置对话框,激活选项Mesh separately,并设置Slack参数,如下图所示

  • 击菜单Model → Generate mesh弹出网格控制对话框

  • 如下图所示,设置网格参数,点击按钮Generate…生成计算网格

查看计算网格,如下图所示。

5、设置计算

5.1 定义优化参数

  • 选择菜单项Solve → Define trails弹出优化设置对话框,Setup标签页中激活选项Parametric trials

  • 进入Design variables标签页,如下图所示,设置Discrete value0.1 0.165

注:这里只是比较zc为0.1m及0.165m两种条件,其实也可以按优化区域进行设置

  • 进入Trials标签页,如下图所示,查看优化变量分布,点击Done按钮关闭对话框

5.2 创建监测点

  • 如下图所示,将模型树节点grilles.1及block.1拖拽至Points中

  • 鼠标右键点击模型树节点Points > grille.1,选择弹出菜单项Edit弹出设置对话框

  • 如下图所示设置监测变量为Velocity

  • 相同方式设置监测block.1的Temperature

5.3 定义求解参数

  • 鼠标双击模型树节点Basic settings弹出设置对话框

  • 设置参数Number of iterations200

  • 鼠标右键选择模型树节点Problem setup,点击弹出菜单项Problem setup wizard打开设置向导

  • 采用默认设置,计算考虑速度、压力与温度

  • 激活选项Flow has inlet/outlet(force convection)

  • 激活选项Set flow regime to turbulent采用湍流计算

  • 激活湍流模型Zero equation

  • 激活选项Include heat transfer due to radiation考虑辐射计算

  • 使用S2S辐射模型

  • 不考虑太阳辐射

  • 采用稳态计算

  • 采用默认设置,点击Done按钮关闭对话框

6、计算

  • 点击菜单项Solve → Run solution弹出设置对话框

  • 进入对话框的Results标签页,激活选项Write overview of results when finished,点击按钮Di**iss关闭对话框

  • 点击菜单项Solve → Run optimization弹出设置对话框

  • 如下图所示对话框中,点击Run按钮开始计算

7、计算结果

1、各部件温度

  • trial001(z=0.1 m)各部件温度统计

  • trial001(z=0.165 m)各部件温度统计

2、温度分布

  • trial001(z=0.1 m)各部件温度云图

  • trial001(z=0.165 m)各部件温度云图

Icepak流体基础换热散热通用电子
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2019-04-22
最近编辑:2月前
CFD之道
博士 | 教师 探讨CFD职场生活,闲谈CFD里外
获赞 2473粉丝 10577文章 667课程 27
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4条评论
lunargod
签名征集中
1年前
很实用
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徐飞强
格物致知
3年前
文章非常好,非常有用
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好学懿
好好学习,天天向上
3年前
很不错的案例
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问渠哪得清如许
签名征集中
4年前
非常好
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