ANSYS對航空器產品熱設計

2013-06-09  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

第七章 航空器電子產品熱設計 微波器件與微帶電路分析設計 電磁兼容(EMC)/電磁干擾(EMI) 電磁/熱耦合分析

作者: 安世亞太    來源: 安世亞太
關鍵字: 航空航天 CAE 仿真 解決方案 ANSYS 安世亞太 

第七章航空器電子產品熱設計

現(xiàn)代機(彈)載電子設備由于受條件限制,都要求重量輕、體積小。另外,為了提高電子產品的工作性能,其功率往往很大,也就是說電子元器件的發(fā)熱量非常大,一般電子元器件的正常工作溫度要求低于100°C。根據(jù)美國空軍的統(tǒng)計,在機(彈)載電子設備失效的原因中,有超過50%是由于溫度引起的,因此電子產品的熱設計是電子產品可靠性設計的最主要內容。

機(彈)載電子產品的冷卻可采用循環(huán)水冷(二次冷卻)和風冷,而風冷又有自然風冷和強迫風冷。

圖7-1、7-2采用ANSYS CFX對某機載電子產品進行水冷分析,圖示為散熱冷板上的溫度分布和冷卻水的流線圖。

傳統(tǒng)的機(彈)載電子產品的熱設計以經(jīng)驗設計為主,根據(jù)機(彈)載電子產品熱設計手冊,利用半經(jīng)驗、半解析的估算公式確定冷卻方式、流量(壓差)及流道,然后制造相應的1:1模型進行測試驗證。這種熱設計的成功率主要取決于設計者的經(jīng)驗,由于試驗驗證成本高、周期長,設計者只能選取少數(shù)幾種自己認為最可行的設計方案進行試驗,從而可能疏漏了更好的設計方案。另外,如果測試驗證后發(fā)現(xiàn)了設計中的問題,回過來重新更改設計,再測試驗證,這樣的設計周期就更長,這與激烈的市場競爭不相適應。

計算流體動力學(CFD)的飛速發(fā)展和計算機性能的提高為機(彈)載電子產品熱設計的數(shù)值仿真提供了保障。ANSYS CFX流體分析功能就是利用基于有限元的有限體積法求解三維湍流Navier-Stokes方程。ANSYS CFX是熱、流耦合計算軟件,在流體單元中求解質量、動量、能量方程,而同時在固體單元中耦合求解能量方程,由此可得出流場中的速度、壓力、溫度分布,固體中的溫度分布,同時可得出流、固表面的對流換熱系數(shù)(圖7-4)和熱流密度。

圖7-5采用ANSYS CFX對某機載電子設備機箱進行強迫風冷分析,圖示結果為機箱內外表面的對流換熱系數(shù)分布。

機(彈)載電子產品的冷卻效率取決于流、固表面對流換熱系數(shù)的大小,因此熱設計仿真分析的最主要任務是準確求解對流換熱系數(shù)。對流換熱系數(shù)的大小與近壁面的流體溫度分布梯度成正比,而近壁面的流體溫度分布梯度與近壁面的流體速度分布有關,因此,要得到準確的對流換熱系數(shù),必須精確求解流體速度分布,尤其是近壁面附面層內的速度分布。八十年代末九十年代初,由于受計算機速度的限制,直接求解三維復雜流場的湍流Navier-Stokes方程從而得到準確的流體速度分布幾乎是不可能,因此發(fā)展了一些半經(jīng)驗、半解析的電子系統(tǒng)冷卻分析軟件,這些分析中的流體剖面速度分布是根據(jù)經(jīng)驗給定的解析式,對于簡單流場,這樣的解析表達式能較好地符合,而對于真實復雜流場,誤差較大。ANSYS CFX通過直接求解三維湍流Navier-Stokes方程來得到準確的流體速度分布,從而能準確給出對流換熱系數(shù)。

另一個影響對流換熱系數(shù)大小的重要因素是層流流動還是湍流流動。流體層流流動時,沿平行于流道軸心線的流線流動,沒有跨越流線的分速度,沿流道壁面法線方向的熱量傳遞只能依靠流體分子的遷移運動即熱傳導;而湍流流動時,流體質點運動的流線是雜亂無章的,不僅在平行于流道壁面方向(軸向)有對流,而且相鄰流層之間的不斷擾動混合,形成渦漩流動,以致在壁面法線方向(橫向)也有對流;因此湍流時的熱量傳遞,除了依靠導熱方式外,主要依靠渦漩流動從一個流層到另一個流層的隨機運動過程傳遞熱量,使換熱大大增強。所以湍流換熱要比層流換熱強烈,對流換熱系數(shù)較大。由此可見,湍流模型的好壞將對計算精度產生很大影響。ANSYS CFX提供了從零方程模型、標準K-e模型到修正的K-e模型等多達八種的湍流模型,以適應各種不同的流動分析。

ANSYS CFX提供了多達六種的多片流計算技術可用來進行具有多種流體流動的二次冷卻分析,如循環(huán)冷卻水的自然冷卻分析。系統(tǒng)中固體材料可有多種,它們可具有不同的導熱系數(shù)、比熱等材料特性,固體材料間的接觸熱阻可用熱阻單元來模擬。

ANSYS CFX的瞬態(tài)分析功能可進行瞬態(tài)熱分析,求出每一時刻每一點的溫度分布以及各點的溫度時間歷程變化過程。

ANSYS CFX流體分析支持五種熱邊界條件:

n常溫

n常熱通量(熱流密度)

n施加與環(huán)境溫度相關的對流換熱系數(shù)

n施加與環(huán)境溫度相關的表面熱輻射

n絕熱(隱含邊界條件)

ANSYS CFX熱分析通過流-固共軛傳熱分析來得到溫度場,當非流體材料的物性參數(shù)與流體材料的物性參數(shù)相差幾個數(shù)量級時,成為病態(tài)的共軛傳熱問題。ANSYS CFX提供的在流體區(qū)域和固體區(qū)域采用不同的時間步長的分析方法可以克服病態(tài)共軛傳熱問題。

圖7-11為電機內冷卻過程的模擬。通風方式為軸向自通風,轉速為1175r/min,考慮了轉子和定子的鐵耗、交流線圈和勵磁線圈的銅耗,以及雜散損耗。由于ANSYS CFX采用了全隱式耦合多重網(wǎng)格算法,在此類問題上計算的收斂非?？?而且計算穩(wěn)定。

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