使用Flotherm散热仿真物理学原理 第2章:对流热交换

使用Flotherm进行电子散热仿真过程中涉及的物理学原理 第2章:对流热交换,介绍了牛顿冷却定律和对流热阻,管内流动,Nusselt数和平板对流,纳维-斯托克斯、伯努力、连续性方程,流体数据,用户自定义热交换系数

2.4 纳维-斯托克斯、伯努力、连续性方程

2.4.1   纳维-斯托克斯方程

由纳维-斯托克斯方程:

和连续性方程:

Flotherm计算流场内的压力和流速(还采用一些湍流模型)。纳维-斯托克斯方程描述了流场内动量的守恒,而连续性方程描述了流场内质量的守恒。如果有读者对这方面的资料感兴趣,可以参阅Flotherm的在线帮助(Background Theory)或者相关书籍。只有物理量耦合系统是非常简单的物理模型和几何外形时,才能够通过手算的方式进行求解。

注意:压差()促使流体流动。那就是为什么Flotherm从静压中减去环境压力(也称为基准压力Datum Pressure)。

2.4.2   伯努力方程:

伯努力方程是纳维斯托克斯方程在稳态不可压流体忽略粘性项情况下的简化。当=0时,纳维斯托克斯方程可以简化为欧拉方程:

经过简化之后可以得到伯努力方程:

伯努力方程表明,在流动方向上动压和静压之和是常数。这个常数的具体值是多少不是我们所关心的。某些时候我们需要通过上式来控制Flotherm的某些结果,例如:通道内流动随着流动截面变化。

注意:静压和动压的和称为总压,可以通过在[Model/Auxiliary variables]作为一个附加的变量来进行计算,在Flotherm计算结束之后可以在后处理中观察。

注意:只要空气流速(大约)远低于音速,那么空气可以视作不可压流体。

2.4.3   连续性方程

假定流体以流速通过一个截面为的区域,则流体通过这一区域的体积流量为[m³/s]:

单位之间的转换:,

对于不可压缩的流体通过截面和截面区域,其体积流量守恒:

假设截面由减小为,则速度增加为,所以其乘积保持不变。质量流量[kg/s]定义为:

实例:

使用Flotherm散热仿真物理学原理 第2章:对流热交换

2.5 流体数据

2.5.1   Flotherm 中空气数据

Flotherm中默认的是1个大气压下,30℃时候的湿空气参数

空气随温度变化的特性以使用Flotherm散热仿真物理学原理 第2章:对流热交换℃进行拟合。

2.5.2   湿空气

如果将以上数据与下一章VDI Heat Atlas中的空气数据比较,我们会发现这些值之间有略微的差异。这是由于Flotherm中空气的数据来自湿空气,而VDI Heat Atlas中的空气值来自干空气。C..Lasance将湿空气的影响进行了整理:

来源:C. Lasance: “The thermal conductivity of moist air”, ECM 9(4) 2003

 

依据Lasance,左图显示了湿空气的热导率是温度和湿度的函数。右图:来自VDI Heat Atlas (x),Lasance的文献( ð  20% , à 30%),以及Flotherm的默认空气(黑线)有关空气的热导率。

Flotherm对软件内有关空气数据,正在尝试拟合更大温度范围内的湿空气数据

来源:D. Niemeier: “Specific heat of humid air”. Private communication (2007)

2.5.3   干空气

来源:VDI Wärmeatlas, VDI-Verlag, Düsseldorf 1988 (5.Ed.)

我们对VDI的数据进行拟合

对VDI干空气数据拟合的线性系数。从第一列中选择,从上面VDI表格中选取数据。右图VDI干空气数据(X),直线是对不同的线性拟合。

2.5.4   状态方程

任何的流体动力学计算都需要流体密度、温度和压力之间的关系式。这个关系式称为状态方程。

最简单的假设就是密度为常数,因此它就不随着压力和温度变化。这个假设对于绝热(也就是没有热量交换)流动而言是正确的。

另一个比较简单的假设是Boussinesq假设,其认为密度是局部空气和环境空气温差的线性函数。

是膨胀系数。是流体特性表格中的密度。对于理想气体(空气可以近似的看作理想气体)

(单位为K)

当空气温度高于环境温度之后密度会减小,从而受到浮升力的作用

其作用方向与重力场方向相反。在Flotherm中是来自([System/Global])中Global Temperature的设定值。所以错误的设定值可能引起怪异的流场和迭代计算发散。

注意:如果T_ambient<T_gobal,那么这就意味着冷空气进入到求解域,在空气最终受发热Cuboid加热上升之前会下落。在计算空气下落和上升的过程中可能会引起发散或低位振荡。注意:T_gobal也用于迭代计算的初场。

在Flotherm中最详细的状态方程描述是理想气体方程:

是分子量(对于空气是)、气体常数,(T单位为[K],压力单位为[Pa])。如果在流体特性中激活理想空气方程选项,在某些模型中可以很好的收敛(例如:大空间自然对流)。另外在模型中如果有大的温差也应采用理想气体方程。

更多更于流体动力学的数据可以参考以下站点:http://www.taftan.com

2.5.5   水

来源:http://www.itw.uni-stuttgart.de/~www/ITWHomepage/Lehre/WuS/Stoffwertesammlung.pdf

2.6 用户定义热交换系数

仅仅在你知道实际情况的下才这么做,一般不建议使用Surface Exchange Attribute

2.7 湍流

2.7.1   层流

在自然对流和小几何尺度情况下不使用湍流模型,也就是选择层流选项。当或时浮升力促使的流动状态为湍流。

2.7.2   标准湍流模型

标准“LEVEL”湍流模型是基于一方程混合长度模型。

更多的相关内容可以参阅Agonafer和Spalding的书籍和Flotherm Technical Paper T352

2.7.3   模型

湍流模型中引入了两个新的流场变量和,这两个参数描述了动能能量和耗散率。这两个参数都是基于计算的速度梯度,因此必须具有良好的网格。可以通过观察变量Turbulent Viscosity来检查湍流的程度。在其它的相关书籍中可以找到更详细的资料。

建议:如果对于高几何模型标准的湍流模型不能收敛,尝试使用模型。

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