使用Flotherm散热仿真物理学原理 第5章:其它物理学方面

使用Flotherm进行电子散热仿真过程中涉及的物理学原理,第5章:其它物理学方面,介绍了瞬态时间常数,粗糙度和壁面摩擦, 层流(关于自然对流), 湍流流动

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使用Flotherm电散热仿真物理学原理 第1章:导热
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第2章:对流热交换
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第3章:辐射
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第4章:环境条件
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第5章:其它物理学方面
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第6章:PCB板仿真
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第7章:元件和元件仿真
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第8章:打孔板处压降
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第9章:风扇
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第10章:散热器
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第11章:机箱
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第12-15章:芯片热功耗趋势/附录/封装术语/风扇

第5章:其它物理学方面

5.1 瞬态时间常数58
5.2 水和空气两股流体59
5.2.1 求解设置 59
5.2.2 管子的模拟 59
5.2.3 Cutous的模拟 59
5.3 粗糙度和壁面摩擦61
5.3.1 层流(关于自然对流) 61
5.3.2 湍流流动 61

5其它物理学方面

5.1 瞬态时间常数

假定某个静止的热源具有热功耗、体积以及确定的密度和比热。其所得到的净热量与热功耗、对流换热散失热量和时间有关。

物体获得的热量=物体内产生的热量-表面散失的热量

是物体的热功耗,为环境温度。

我们采用差分替代微分,质量流量替代,可以得到:

此处是当时间t趋向时候的实际温度,因为当t趋向时物体达到热平衡。因此这个实际温度为:

时间常数的表达式:

其中热功耗的大小不会影响时间常数,如果物体采用热传导冷却,则可以采用下式计算时间常数:

实例:一块换热系数为的板子(r= 1200 kg/m³, C=880 J/kgK)的时间常数。铜含量越多,则热惯性越高。

我们可以得到一条温度加热曲线:

其中温度范围和已经得到计算。在实际情况中是一个随时间变化的量。辐射随时间变化的影响也被忽略。在加热初期()是不确定的。由(=0)

可以得到下面这个解:

其中为:

对于Flotherm而言,对于物体以温差1开始加热,所以为:

建议:在瞬态计算时,一定要在材料特性里定义密度和比热,不要采用默认的设置1。

5.2 水和空气两股流体

5.2.1  求解设置

自动时间步长和终止残差是依据主要流体的特性设置的,通常情况下是空气。冷板中存在的是流体水,而且承担着主要的质量和能量传递。默认设置的空气不会对其有所影响。

5.2.2   管子的模拟

注意:空气和水必须由块Cuboid进行分隔。

两种流体仿真的例子可以参考[Project/New]应用例子中的2Fluid Cold and HeatSink。水通过求解域边上的固定流装置进入到管道中,之后穿越管道离开求解域。求解域的边界与冷板的边界重合。

水从上部管道进入至下部管道流出

5.2.3   Cutouts的模拟

如果求解的边界离管子的边界比较远,求解域的边界可以通过Cutouts来模拟。Cutouts具有与求解域相同的边界特性,通过Cutouts可以流入水。在下图中求解域大于冷板模型。在管道上部,水通过放置在Cuboid上的一个固定流进入到管道中(注意固定流装置不能任意放置,只能放置在Cuboid上或求解域边界上)。在管道下部,水流入到放置在虚构Cuboid上的Cutouts。

使用Flotherm散热仿真物理学原理 第5章:其它物理学方面

求解内部水冷散热器采用Cutout的模拟

流场可以通过空气和水的矢量箭头表示

使用Flotherm散热仿真物理学原理 第5章:其它物理学方面 Inlet from fixed flow
Outlet into cutout

左图:空气和水的流动矢量图,右图:进出口的水流动矢量图

5.3     粗糙度和壁面摩擦

5.3.1    层流(关于自然对流)

文献数据表明:管道和平板内的层流流动受粗糙度(不是特别大)的影响很小。这是因为流体内以粘性力为主导。

注意:如果湍流设置为层流,则Flotherm会忽略表面特性(Surface Attribute)中表面的粗糙度值。

5.3.2     湍流流动

管内粗糙度的影响是由粗糙度和水力直径的比、管内的雷诺数所确定。

下图是粗糙管道内压力损失曲线。

纵坐标是压力损失系数,横坐标是基于水力直径的雷诺数。

可以非常清楚的看到,在层流流动状态下雷诺数之前,粗糙度对压力损失没有影响。

在的范围内,测量所得的数据几乎在一直线上。

实例:散热器通道

1. 粗糙度

2. 翅片间的水力直径为

3. 空气流速

粗糙度/水力直径

在某些时候可以采用上图对Flotherm的计算结果进行比较。

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