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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.