¬аше окно в мир —јѕ–
Ќовости —татьи јвторы —обыти€ ¬акансии Ёнциклопеди€ –екламодател€м
—татьи

23 июн€ 2016

–асчЄт систем охлаждени€ с помощью SOLIDWORKS Flow Simulation

јндрей јл€мовский

јндрей јл€мовский

јвтор Ч ведущий инженер, к.т.н., компани€ SolidWorks Russia.

¬ статье использованы материалы, полученные в результате совместной де€тельности с јќ Ђ‘Ќѕ÷ ЌЌ»–“ї и ќјќ ЂЎјј«ї

ћоделирование систем охлаждени€ и шире Ц теплообменников есть тема, никогда не тер€юща€ актуальности. ¬о-первых, по причине по€влени€ всЄ новых объектов исследовани€ и, во-вторых, в св€зи со сменой методологии. –анее расчЄты основывались на эмпирических и критериальных зависимост€х. ƒоступность инструментов гидродинамического анализа, основанных на моделировании течени€ в совокупности с теплообменом, вынуждает прикладных специалистов сделать их основным инструментом. ѕон€тно, что за внешней простотой могут скрыватьс€ нетривиальные сущности, но, при соблюдении некоторых правил, результаты, как правило, получаютс€ приемлемыми. ƒанна€ стать€ описывает две задачи, решение которых невозможно методом Ђгрубой силыї через нетворческое наращивание вычислительных ресурсов и следовании формальным алгоритмам. ѕерва€ Ц построение тепловой модели сборки модулей, система охлаждени€ которых основана на пластинчатых теплообменниках с принудительным воздушным охлаждением, с выработкой рекомендаций по улучшению теплового режима.
SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 1. √еометрическа€ модель конструкции и схема охлаждени€

ћодули с чипами установлены на двух пр€моугольных трубах. ¬ них сделаны пр€моугольные отверсти€, через которые осуществл€етс€ впуск воздуха в модули и выход из них. ќхлаждающий поток проходит через радиаторы, полученные изгибом алюминиевой полосы, при этом число пластинок во всей конструкции составл€ет около трЄх с половиной тыс€ч. ÷иркул€ци€ воздуха обеспечиваетс€ нагнетающим и выт€жным вентил€торами с назначенным расходом воздуха (такова формулировка технического задани€) с определЄнной температурой. »звестны мощности верхних и нижних источников.
SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 2. “епловой модуль с источниками и радиаторами

Ќепосредственный расчЄт на базе Ђконструкторскойї модели требует нерационально больших вычислительных ресурсов, поэтому будем примен€ть всевозможные инструменты снижени€ размерности, как паллиативные, так и радикальные. ѕоследние позвол€т уйти от представлени€ всех пластинок гофрированных деталей тонкими каналами между ними. Ћокальные изменени€ более или менее очевидны.   ним относ€тс€ упрощение внутренней геометрии, в частности, ликвидаци€ бобышек креплени€, упрощение наружной геометрии. ”странение криволинейных границ существенно упрощает сеточное представление, а вли€ние изменений локализовано зоной изгиба.

≈щЄ один полезный приЄм Ц ликвидаци€ малых полостей, в которых теплопередача массопереносом не играет большой роли. –азумным компромиссом €вл€етс€ Ђнаполнениеї полостей телами с последующим назначением им материала со свойствами воздуха: плотностью; теплоЄмкостью; теплопроводностью. –адикальным приЄмом, сокращающим размерность задачи, €вл€етс€ замена реальной гофры виртуальной пористой средой. ќна может обладать анизотропной нелинейной проницаемостью, анизотропной теплопроводностью и анизотропной же объЄмной теплоотдачей. —войства среды получаем, реализу€ совокупность виртуальных экспериментов на базе представительного объЄма радиатора.

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 3. –асчЄтна€ модель характерного элемента радиатора

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 4. —войства анизотропной пористой среды, имитирующей гофрированный теплообменник

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 5. ќписание проницаемости слоистой системы в плоскости пластин

ѕодтвердить корректность имитации радиаторов можно, сравнива€ фрагменты теплообменника с Ђподлиннойї гофрой и с еЄ аналогом. ѕол€ скоростей и температур, как среды, так и тел, очень близки. „исло €чеек расчЄтной сетки уменьшилось более чем в четыре раза.
SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 6. √раничные услови€ дл€ модели с одним модулем и реальными теплообменниками

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 7. Ќазначение пористой среды телам, описывающим радиаторы

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 8. –аспределение температуры на поверхности модели с реальной гофрой

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 10. –аспределение температуры на поверхности модели с пористой средой

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 11. Ћинии тока со скоростью в модели с гофрой

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 12. Ћинии тока со скоростью в модели с пористой средой

”прощени€ и условности сделали возможным построение глобальной расчЄтной модели теплообменника c получением картины температур и скоростей. Ќалицо существенна€ неравномерность температур чипов. Ёто обусловлено неоднородностью течени€ через теплообменники. ѕерераспределить потоки воздуха и, соответственно, понизить максимальную температуру чипов можно профилированием входного канала через построение системы перегородок. –езультатом вполне элементарных манипул€ций стало осреднение расходов между модул€ми, а также снижение максимальных температур в чипах.
SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 13. ”слови€ дл€ модели с четырьм€ модул€ми и виртуальными теплообменниками

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 14. –аспределение температуры на поверхности модели

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 15. Ћинии тока со скоростью

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 16. ћодифицированна€ геометри€ входного канала

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 17. Ћинии тока со скоростью в модифицированной модели

—ледующа€ задача в определЄнном смысле противоположна первой, поскольку не допускает построени€ глобальной модели, достоверно учитывающей и гидравлические и тепловые эффекты. »нтересно, что рассматриваетс€ типовой автомобильный радиатор, казалось бы, вполне исследованный объект. ќн €вл€етс€ характерным примером теплообменника, содержащего два объЄма, в данном случае Ц воздушный и вод€ной, разделЄнные оребрЄнной оболочкой. Ђѕр€моеї воспроизведение геометрии и процессов в конструкции осуществить невозможно из-за колоссальной размерности.

–азвиваем альтернативный подход, в основе которого лежит не построение эффективной среды, описывающей некие области (хот€ дл€ частных задач он остаЄтс€ актуальным), а выдел€ем типовые (повтор€ющиес€) объЄмы (€чейки) с подробным локальным моделированием процессов и последующим распространением результатов на конструкцию в целом. –азумеетс€, эти результаты нуждаютс€ в корректировке, учитывающей эффекты, не описанные местной моделью, как в смысле масштаба, так и из-за не учЄта некоторых физических сущностей. —оответствующие процедуры сведены в приведЄнный на иллюстрации граф.

Ќекоторые модели, например, по полному гидравлическому сопротивлению относительно воды, основаны на различных аппроксимаци€х массива трубок, что позвол€ет убедитьс€ в отсутствии систематических ошибок. ќтметим, что большинство аппроксимаций чувствительны к настройкам сетки, граничным услови€м и способам их реализации, в частности, активно используетс€ условие периодичности. ѕоэтому некритичное воспроизведение Ђблоковї алгоритма не гарантирует достоверности результатов.

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 18. ћодель радиатора Ц вид сзади

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 19. ћодель радиатора Ц разрез вертикальной плоскостью

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 20. —труктура расчЄтных моделей, описывающих радиатор

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 21. Ћинии тока воды в модели с условными сопротивлени€ми

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 22. Ћинии тока воды в модели с Ђпористымї блоком

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 23. Ёлементарна€ €чейка Ц расчЄтна€ геометрическа€ модель и граничные услови€

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 24. —корость в сечении, проход€щем через пластины, иллюстрирует корректность реализации периодичности

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 25. ѕоверхностна€ плотность теплового потока на трубках и пластинах

≈стественным образом доступны оценки вклада различных эффектов в теплоотдачу конструкции в целом. –езультаты можно сравнить с предоставленными заказчиком данными по испытани€м, полученными на специальном стенде. ќтклонени€ объ€снимы разнообразными причинами, в том числе и отличием идеализированной и реальной геометрии.
SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 26.  амера испытательного стенда

SW расчЄт систем охлаждени€ таблицы 1 2

ѕрикладную информацию несут параметрические исследовани€ зависимости теплоотдачи пластин от скорости потока и угла перфорации (угла жалюзи). »х результаты станов€тс€ ещЄ более интересными в сравнении со свойствами полосы с гладкими пластинами. ќчевидна неоднозначность пр€мого переноса свойств со стенда на изделие в реальном контексте. ¬ такой ситуации полезной (и реализуемой) €вл€етс€ Ђглобальна€ї модель радиатора по воздушному сопротивлению, а в идеале и с огрублЄнным учЄтом теплоотдачи. Ѕазой дл€ неЄ также могут стать результаты локальных исследований.
SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 27. —равнение эффективности плоских и перфорированных полос: управл€ющий параметр Ц скорость

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 28. —равнение эффективности плоских и перфорированных полос: управл€ющий параметр Ц разность давлений

SW расчЄт систем охлаждени€

–исунок 29. јнализ эффективности при скорости 6,7 м/c дл€ полос с измен€ющимс€ углом перфорации в сравнении с гладкой полосой


„итайте также:


¬акансии:

јктуальное обсуждение

RSS-лента комментариев

-->

ƒавид Ћевин
ƒавид Ћевин
ќт редактора: Ќадо ли жалеть свои мозги?
ѕроект ЂЌародное —јѕ–-интервьюї

—лучайна€ стать€:

—јѕ–, с которым ничего не случитс€  — ƒавид Ћевин (27 апрел€ 2023)
isicad Top 10

—амые попул€рные материалы

   ‘орумы isicad:

isicad-2010 isicad-2008
isicad-2006 isicad-2004

ќ проекте

ѕриглашаем публиковать на сайте isicad.ru новости и пресс-релизы о новых решени€х и продуктах, о проводимых меропри€ти€х и другую информацию. јдрес дл€ корреспонденции - info@isicad.ru

ѕроект isicad нацелен на

  • укрепление контактов между разработчиками, поставщиками и потребител€ми промышленных решений в област€х PLM и ERP...
ѕодробнее

»нформаци€ дл€ рекламодателей


¬се права защищены. © 2004-2023 √руппа компаний «Ћ≈ƒј—»

ѕерепечатка материалов сайта допускаетс€ с согласи€ редакции, ссылка на isicad.ru об€зательна.
¬ы можете обратитьс€ к нам по адресу info@isicad.ru.