Расчёт систем охлаждения с помощью SOLIDWORKS Flow Simulation

Моделирование систем охлаждения и шире – теплообменников есть тема, никогда не теряющая актуальности. Во-первых, по причине появления всё новых объектов исследования и, во-вторых, в связи со сменой методологии. Ранее расчёты основывались на эмпирических и критериальных зависимостях. Доступность инструментов гидродинамического анализа, основанных на моделировании течения в совокупности с теплообменом, вынуждает прикладных специалистов сделать их основным инструментом.

Понятно, что за внешней простотой могут скрываться нетривиальные сущности, но, при соблюдении некоторых правил, результаты, как правило, получаются приемлемыми.

Данная статья описывает две задачи, решение которых невозможно методом «грубой силы» через нетворческое наращивание вычислительных ресурсов и следовании формальным алгоритмам. Первая – построение тепловой модели сборки модулей, система охлаждения которых основана на пластинчатых теплообменниках с принудительным воздушным охлаждением, с выработкой рекомендаций по улучшению теплового режима.

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 1. Геометрическая модель конструкции и схема охлаждения

Модули с чипами установлены на двух прямоугольных трубах. В них сделаны прямоугольные отверстия, через которые осуществляется впуск воздуха в модули и выход из них. Охлаждающий поток проходит через радиаторы, полученные изгибом алюминиевой полосы, при этом число пластинок во всей конструкции составляет около трёх с половиной тысяч. Циркуляция воздуха обеспечивается нагнетающим и вытяжным вентиляторами с назначенным расходом воздуха (такова формулировка технического задания) с определённой температурой. Известны мощности верхних и нижних источников.

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 2. Тепловой модуль с источниками и радиаторами

Непосредственный расчёт на базе «конструкторской» модели требует нерационально больших вычислительных ресурсов, поэтому будем применять всевозможные инструменты снижения размерности, как паллиативные, так и радикальные. Последние позволят уйти от представления всех пластинок гофрированных деталей тонкими каналами между ними. Локальные изменения более или менее очевидны. К ним относятся упрощение внутренней геометрии, в частности, ликвидация бобышек крепления, упрощение наружной геометрии. Устранение криволинейных границ существенно упрощает сеточное представление, а влияние изменений локализовано зоной изгиба.

Ещё один полезный приём – ликвидация малых полостей, в которых теплопередача массопереносом не играет большой роли. Разумным компромиссом является «наполнение» полостей телами с последующим назначением им материала со свойствами воздуха: плотностью; теплоёмкостью; теплопроводностью. Радикальным приёмом, сокращающим размерность задачи, является замена реальной гофры виртуальной пористой средой. Она может обладать анизотропной нелинейной проницаемостью, анизотропной теплопроводностью и анизотропной же объёмной теплоотдачей. Свойства среды получаем, реализуя совокупность виртуальных экспериментов на базе представительного объёма радиатора.

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 3. Расчётная модель характерного элемента радиатора

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 4. Свойства анизотропной пористой среды, имитирующей гофрированный теплообменник

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 5. Описание проницаемости слоистой системы в плоскости пластин

Подтвердить корректность имитации радиаторов можно, сравнивая фрагменты теплообменника с «подлинной» гофрой и с её аналогом. Поля скоростей и температур, как среды, так и тел, очень близки. Число ячеек расчётной сетки уменьшилось более чем в четыре раза.

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 6. Граничные условия для модели с одним модулем и реальными теплообменниками

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 7. Назначение пористой среды телам, описывающим радиаторы

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 8. Распределение температуры на поверхности модели с реальной гофрой

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 10. Распределение температуры на поверхности модели с пористой средой

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 11. Линии тока со скоростью в модели с гофрой

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 12. Линии тока со скоростью в модели с пористой средой

Упрощения и условности сделали возможным построение глобальной расчётной модели теплообменника c получением картины температур и скоростей. Налицо существенная неравномерность температур чипов. Это обусловлено неоднородностью течения через теплообменники. Перераспределить потоки воздуха и, соответственно, понизить максимальную температуру чипов можно профилированием входного канала через построение системы перегородок. Результатом вполне элементарных манипуляций стало осреднение расходов между модулями, а также снижение максимальных температур в чипах.

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 13. Условия для модели с четырьмя модулями и виртуальными теплообменниками

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 14. Распределение температуры на поверхности модели

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 15. Линии тока со скоростью

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 16. Модифицированная геометрия входного канала

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 17. Линии тока со скоростью в модифицированной модели

Следующая задача в определённом смысле противоположна первой, поскольку не допускает построения глобальной модели, достоверно учитывающей и гидравлические и тепловые эффекты. Интересно, что рассматривается типовой автомобильный радиатор, казалось бы, вполне исследованный объект. Он является характерным примером теплообменника, содержащего два объёма, в данном случае – воздушный и водяной, разделённые оребрённой оболочкой. «Прямое» воспроизведение геометрии и процессов в конструкции осуществить невозможно из-за колоссальной размерности.

Развиваем альтернативный подход, в основе которого лежит не построение эффективной среды, описывающей некие области (хотя для частных задач он остаётся актуальным), а выделяем типовые (повторяющиеся) объёмы (ячейки) с подробным локальным моделированием процессов и последующим распространением результатов на конструкцию в целом. Разумеется, эти результаты нуждаются в корректировке, учитывающей эффекты, не описанные местной моделью, как в смысле масштаба, так и из-за не учёта некоторых физических сущностей. Соответствующие процедуры сведены в приведённый на иллюстрации граф.

Некоторые модели, например, по полному гидравлическому сопротивлению относительно воды, основаны на различных аппроксимациях массива трубок, что позволяет убедиться в отсутствии систематических ошибок. Отметим, что большинство аппроксимаций чувствительны к настройкам сетки, граничным условиям и способам их реализации, в частности, активно используется условие периодичности. Поэтому некритичное воспроизведение «блоков» алгоритма не гарантирует достоверности результатов.

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 18. Модель радиатора – вид сзади

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 19. Модель радиатора – разрез вертикальной плоскостью

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 20. Структура расчётных моделей, описывающих радиатор

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 21. Линии тока воды в модели с условными сопротивлениями

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 22. Линии тока воды в модели с «пористым» блоком

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 23. Элементарная ячейка – расчётная геометрическая модель и граничные условия

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 24. Скорость в сечении, проходящем через пластины, иллюстрирует корректность реализации периодичности

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 25. Поверхностная плотность теплового потока на трубках и пластинах

Естественным образом доступны оценки вклада различных эффектов в теплоотдачу конструкции в целом. Результаты можно сравнить с предоставленными заказчиком данными по испытаниям, полученными на специальном стенде. Отклонения объяснимы разнообразными причинами, в том числе и отличием идеализированной и реальной геометрии.

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 26. Камера испытательного стенда

SW расчёт систем охлаждения таблицы 1 2

Прикладную информацию несут параметрические исследования зависимости теплоотдачи пластин от скорости потока и угла перфорации (угла жалюзи). Их результаты становятся ещё более интересными в сравнении со свойствами полосы с гладкими пластинами. Очевидна неоднозначность прямого переноса свойств со стенда на изделие в реальном контексте. В такой ситуации полезной (и реализуемой) является «глобальная» модель радиатора по воздушному сопротивлению, а в идеале и с огрублённым учётом теплоотдачи. Базой для неё также могут стать результаты локальных исследований.

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 27. Сравнение эффективности плоских и перфорированных полос: управляющий параметр – скорость

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 28. Сравнение эффективности плоских и перфорированных полос: управляющий параметр – разность давлений

SW расчёт систем охлаждения

Рисунок 29. Анализ эффективности при скорости 6,7 м/c для полос с изменяющимся углом перфорации в сравнении с гладкой полосой

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *