项目1实验平台的基本原理与功能操作

2019/9/91半导体照明散热设计与分析(实验部分)天津工业大学主讲人：张建新4D4082019/9/92实验课程概况项目1：实验平台的基本原理与功能操作项目2：翅片散热器的设计与分析实验项目3：热辐射块和板的设计与分析实验项目4：热分布的瞬态分析实验项目5：LED投光灯的散热设计与分析实验2019/9/93本次实验的主要内容项目1：实验平台的基本原理与功能操作一、计算流体力学（CFD）概述二、CFD数值模拟的总体工作步骤三、CFD求解过程四、常用的商用热分析软件五、Icepak软件简介六、Icepak软件的基本操作七、单颗LED模块散热仿真的操作演示2019/9/94一、计算流体力学（CFD）概述1、CFD定义：通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和传热等相关物理现象的系统所做的分析。2、CFD的应用：单纯流体的场域计算空气水体流体参与传热的场域计算散热（环境级、系统级、电路板级、元件级）2019/9/952019/9/963、CFD的基本思想把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场（如：速度场、温度场、压力场等），用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。散热过程的CFD方法，实质上就是：散热CFD=流体力学+传热学+数值分析2019/9/972019/9/984、热分析的基本方法及其对比主要优点主要缺点作用传统的理论分析法1.计算结果具有普遍性；1.对计算对象进行抽象和简化后，才能得到理论平均解，带有较大误差；提供研究的理论基础2.影响因素清晰可见。2.对非线性情况，很少能得到解析解。实验测量法结果的真实可信度较高。1.受模型尺寸、流场扰动、人身安全、测量精度等外界因素的限制，内部结构难以测量；验证由其它方法分析得到的结果真实性2.实验成本高，周期长。CFD数值分析法1.克服了前面两个方法的缺点；1.需要将众多影响因素抽象成适合计算的物理模型和数学模型；提高热分析效率，展现场域数据的分布2.能快速得到不同情况下的温度场的分布数据。2.对研究者的理论基础和数值分析能力的要求较高。构成了热分析的完整体系2019/9/99二、CFD数值模拟的总体工作步骤1、建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型：(CFD方法解决问题的出发点)2、寻求高效率、高准确度的计算方法：(CFD方法的核心)3、编制功能程序和进行计算：(花费时间最多)4、显示计算结果：(检查和分析模拟质量)微分方程定解条件初始条件边界条件微分方程的离散和求解方法边界条件的处理（离散化）有限差分法有限元法有限容积(体积)法如：Icepak计算网格的划分输入初始条件和边界条件设定控制参数场域分布图场域点数据分布表2019/9/910三、CFD求解过程计算二维空间内无热源的稳态传导换热情况下的数值解。假设计算区域为正方形，边长=4mm，左侧、右侧和下侧边界温度为0K，上侧边界温度为1K。(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(1)建立控制方程0xy0K0K0K1K4mm4mmTpppTuTvTwTtxyzTTTSxcxycyzcz①能量守恒方程：（包含三维、源项、时间项）②质量守恒方程：（包含三维、时间项）0uvwtxyz③质量守恒的能量守恒方程：（二维、无时间项、无源项）22220TTxy2019/9/911计算二维空间内无热源的稳态传导换热情况下的数值解。假设计算区域为正方形，边长=4mm，左侧、右侧和下侧边界温度为0K，上侧边界温度为1K。(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(2)确立初始条件及边界条件0xy0K0K0K1K4mm4mm①初始条件：因无时间项，所以可不设定初始条件。②边界条件：0,0;4,0;0,0;4,1.xTxTyTyT(3)划分计算网格，生成计算节点①划分网格：采用“差分格式”离散成均匀网格，网格步长=1mm②节点编号：用(i,j)坐标表示每一个节点，i=1,2,3,4,5;j=1,2,3,4,5.0xyij(i,j)(i+1,j)(i-1,j)(i,j+1)(i,j-1)三、CFD求解过程2019/9/912三、CFD求解过程计算二维空间内无热源的稳态传导换热情况下的数值解。假设计算区域为正方形，边长=4mm，左侧、右侧和下侧边界温度为0K，上侧边界温度为1K。(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(4)建立离散方程内节点的差分离散方程0xy0K0K0K1K4mm4mm0xy(i,j)(i+1,j)(i-1,j)(i,j+1)(i,j-1),1,1,,1,11()42,3,4;2,3,4ijijijijijTTTTTij①无初始条件，所以无需离散(5)离散初始条件和边界条件②边界节点的差分离散方程,,01,5;1,2,3,4,52,3,4;112,3,4;5ijijTijijTij，其中。以及。，其中。2019/9/913三、CFD求解过程计算二维空间内无热源的稳态传导换热情况下的数值解。假设计算区域为正方形，边长=4mm，左侧、右侧和下侧边界温度为0K，上侧边界温度为1K。(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(6)给定求解控制参数将步骤(4)(5)所得的待求解方程组写成矩阵形式：0xy0K0K0K1K4mm4mm0xy(i,j)(i+1,j)(i-1,j)(i,j+1)(i,j-1)2,43,44,42,33,34,32,23,24,2T4111T14111T1411T14110T114110T11410T1410T1140T140该系数矩阵为满秩，则方程组有唯一解，其解肯定收敛，无需给定控制参数。(若存在对流项，则必须给定控制参数)2019/9/914三、CFD求解过程计算二维空间内无热源的稳态传导换热情况下的数值解。假设计算区域为正方形，边长=4mm，左侧、右侧和下侧边界温度为0K，上侧边界温度为1K。(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(7)求解离散方程0xy0K0K0K1K4mm4mm0xy(i,j)(i+1,j)(i-1,j)(i,j+1)(i,j-1)2,43,44,42,33,34,32,23,24,2T4111T14111T1411T14110T114110T11410T1410T1140T140该方程组往往都很大，采用的方法可分为两大类：直接解法和迭代解法。其中迭代解法占内存较小，有利于用小机器求解大问题，因此商用软件往往采用迭代解法。2019/9/915(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)Icepak中的残差分析：认定三种守恒方程（质量守恒、能量守恒、动量守恒）的迭代残差都小于1×10-3，且监控点温度趋于平衡时，可以认为求解结果收敛。三、CFD求解过程(8)解收敛否2019/9/916流线图等值曲线图矢量图云图2019/9/917四、常用的商用热分析软件1、软件分类通用热分析软件：并不是根据电子设备特点而编制的，但可用于电子设备热分析。如：Flotrn、Algor、Ansys等。专用电子设备热分析软件：专门针对电子设备特点而开发，具有较大的灵活性。如：BETAsoft、Coolit、Flotherm、Icepak、Qfin、QLED等。2、软件的基本架构数据输入及维护模块网格生成及显示模块数值计算模块（求解器）结果输出及显示模块2019/9/918五、Icepak软件简介1、软件公司的发展Fluent公司致力于为用户提供流动模拟及热分析的仿真软件及服务，使用户大大改进设计，缩短设计时间，从而具有强大的核心竞争力和优势。2019/9/9192、Fluent公司的软件品种FLUENT6基于CFD的有限体积法，适用于可压/不可压流，层流/湍流,包括化学反应和多相流。FIDAP基于CFD的有限元法,适用于不可压/可压流，层流/湍流,包括牛顿流体/非牛顿流体,自由界面和流体结构接触面的相互作用POLYFLOW基于CFD的有限元法,适用于模拟高粘性流动(如流变流体)和表面流动MixSim模拟混合过程的专业软件Icepak热管理和电子仪器散热分析的专业软件Airpak热管理和电子仪器散热分析的专业软件2019/9/9203、Icepak是一种基于对象建模的软件Icepak允许以下方式建模:主体对象:如块(blocks),板(plates),风扇(fans),通风口(vents),阻尼(resistance)等。宏:如IC封装,PCBs,辐射散热器,详细风扇曲线。2019/9/9214、Icepak的仿真能力稳态/瞬态问题层流/湍流模型强迫对流/自然对流/混合对流多流体问题内/外流分析耦合传热辐射固定边界条件/动边界条件/对称边界条件依赖于时间的特性2019/9/922强大的网格生成:连续非结构网格结构网格非连续非结构网格求解器特点:参数化并行处理网格间插值Zoom-in建模其它功能:灵活的单位定义用户自定义封装库从MCAD/ECAD文件导入ProE-Icepak界面先进的后处理和生成报告的功能2019/9/923六、Icepak软件的基本操作1、怎样启动IcepakWindows:点击桌面上的快捷键“Icepak4.3.10”在开始菜单点击Programs/Fluent.Inc/Icepak4.0UNIX:从系统命令行中输入“icepak”2019/9/9242、启动界面Icepak启动后,自动弹出New/existing面板2019/9/9253、创建新工程在New/Existing面板中点击New打开Newproject面板2019/9/9264、打开已有工程在New/Existing面板中点击Existing打开Openprojectwindow面板2019/9/9275、Icepak的文件结构每个Icepak工程都是由包含路径的工程文件组成工程名=路径名文件种类包括:问题设置文件-JOB,MODEL和PROBLEM文件网格文件求解文件后处理/报告文件其中Job,Model和Problem文件是重建工程必须要有的文件。2019/9/9286、压缩/解压工程在New/Existing面板中点击Unpack打开Fileselection面板只有job,model和problem文件被压缩压缩格式为*.tzrFilePack进行压缩操作FileUnpack进行解压操作2019/9/9297、用户图形界面2019/9/9308、Icepak建模对象的简单介绍2019/9/9319、模型工具栏：创建对象2019/9/93210、模型工具栏：编辑和对齐功能2019/9/93311、快捷工具栏2019/9/93412、模型树2019/9/93513、鼠标功能2019/9/936七、单颗LED模块散热仿真的操作演示1.创建并保存一个名为Example1的Icepak项目，在其中建立如下图描述的一个简单散热模块，并根据基本设置条件以及采用默认的非结构网格形式划分后，计算显示其所有结构体表面的温度分布云图（左上角三等