Często w projektach rozważa się kilka różnych modeli tego samego projektu. Często nie wiadomo, które rozwiązanie okaże się najlepsze oraz które rozwiązanie będzie się nadawać najlepiej do naszego przykładu. Żeby móc się o tym przekonać, można wykonać kilka symulacji komputerowych. Jednakże takie rozwiązanie może być czasochłonne. W związku z tym SOLIDWORKS wyszedł naprzeciwko oczekiwaniom i dodał on funkcję EFD Zooming. Czym ona jest i do czego służy?
EFD Zooming jest niczym innym niż techniką modelowania, która pozwala użytkownikowi wykonać obliczenia na małym podregionie wcześniej rozwiązanej większej domeny o rzadszej siatce. Jest niczym innym niż przeniesieniem warunków brzegowych na mniejszy obszar domeny obliczeniowej. Możliwości symulacji przepływowej EFD Zooming zostaną zademonstrowane na przykładzie wyboru lepszego kształtu radiatora dla głównego układu scalonego z uwzględnieniem innych elementów elektronicznych w obudowie elektronicznej.
Model montażowy obudowy elektronicznej wraz z rozważanym radiatorem głównego układu scalonego przedstawiono na poniższym rysunku. Wentylator zainstalowany na wlocie obudowy wdmuchuje powietrze przez obudowę do szczelin wylotowych w celu schłodzenia nagrzanych elementów elektronicznych, które są źródłami ciepła. Płasko ułożony główny układ scalony jest przymocowany do płyty głównej wykonanej z izolatora. Aby lepiej chłodzić układ główny, jego przeciwległą płaską powierzchnię pokrywa radiator chłodzony strumieniem powietrza z wentylatora.
Celem inżynierskim problemu jest wyznaczenie temperatury głównego układu scalonego przy zastosowaniu jednej z dwóch rozważanych konstrukcji radiatorów przy niezmienionych pozostałych warunkach panujących w obudowie. W rezultacie zostanie wyznaczono różnice w możliwościach chłodzenia pomiędzy tymi dwoma konkurencyjnymi kształtami.
Jak widać na rysunku 1 wszystkie elementy poza głównym radiatorem zostały przedstawione jako bryły elementarne. Wynika to z faktu, że nie mają one wpływu na temperaturę głównego układu scalonego. Natomiast z drugiej strony, każdy radiator został zamodelowany z odpowiednio dużą dokładnością.
Aby móc rozwiązać powyższy problem, program SOLIDWORKS Flow Simulation oferuje dwa różne rozwiązania.
Pierwszym z nich jest bezpośrednie obliczenie całego przepływu wewnątrz układu elektronicznego dla wszystkich elementów elektronicznych. Żeby móc poprawnie odwzorować proces wymiany ciepła przy radiatorze, należy wykorzystać gęstą siatkę lokalną, która uchwyci kształt cienkich żeber radiatora.
W drugim, dwuetapowym sposobie EFD Zooming, rozwiązywany jest ten sam problem w następujących etapach:
- Obliczenie całego przepływu wewnątrz całej obudowy elektronicznej na poziomie niskiej rozdzielczości wynikowej bez rozwiązywania drobnych cech radiatora (a więc zamiast grzebieniowego kształtu radiatora określona jest obwiednia prostopadłościanu) i wyłączenie opcji przewodzenia
- Obliczenie przepływu przez rzeczywisty radiator w kształcie grzebienia w mniejszej domenie obliczeniowej otaczającej główny układ scalony, przy użyciu opcji Transfered Boundary Condition (Przeniesione warunki brzegowe), aby potraktować wyniki obliczeń pierwszego etapu jako warunki brzegowe, określając drobną siatkę obliczeniową w wąskich kanałach i cienkich żeberkach radiatora, aby je rozwiązać, oraz włączając opcję przewodzenie.
Obliczenia pierwszego etapu są wykonywane raz, a następnie wykorzystywane do obliczeń drugiego etapu, wykonywanych dla każdego kształtu radiatora. W artykule tym skupmy się na drugiej metodzie.
Zgodnie z tym co jest napisane w punkcie 1, wykonywane są obliczenia na zgrubnej siatce oraz na radiatorze, który jest reprezentowany jako prostopadłościan.
Jako warunki brzegowe ustalono, że na wylocie będzie panowało ciśnienie atmosferyczne. Jako wentylator wybrano wentylator z serii 400, typ 405.
Następnie przypisano, które powierzchnie są źródłami ciepła. W tym wypadku zdecydowano się, że małe chipy będą miały moc 5 Watt. Taką samą moc miał główny chip wraz z radiatorem. Natomiast jako materiał wybrano aluminium.
Następnie wyznaczono przepływ masowy na wlocie oraz wylocie. Dla tak ustawionych opcji, wykonano obliczenia.
Po przeprowadzeniu obliczeń wgrano geometrię, gdzie radiator był w rzeczywistości zamodelowany. Zdecydowano się pierwotnie na modelu numer 1, czyli modelu, w którym wszystkie żebra mają tą samą długość. Następnie można było przejść do etapu drugiego który, ma za zadanie określić temperaturę głównego układu scalonego. W tym celu obliczany jest przepływ nad radiatorem w mniejszej domenie obliczeniowej, otaczającej główny układ scalony, wykorzystując opcję Transfered Boundary Condition. Powoduje to, że badana domena przyjmuje wyniki obliczeń z pierwszego etapu jako warunki brzegowe. Aby obliczyć temperaturę ciała stałego, włączona została opcja przewodzenie. Ponieważ na tym etapie domena obliczeniowa jest znacznie zmniejszona, w wąskich kanałach i cienkich żebrach radiatora można skonstruować drobną siatkę obliczeniową z przystępną liczbą komórek, nawet jeśli podczas obliczeń uwzględnimy przewodzenie ciepła w ciele stałym.
Aby uzyskać wiarygodne wyniki obliczeń drugiego etapu, należy wyznaczyć granice domeny obliczeniowej (jako płaszczyzny równoległe do płaszczyzn X, Y, Z globalnego układu współrzędnych) spełniające następujące warunki:
- parametry przepływu i bryły na tych granicach, pobrane z obliczeń pierwszego etapu, muszą być jak najbardziej jednorodne
- granice nie mogą leżeć zbyt blisko badanego obiektu, ponieważ cechy obiektu nie zostały rozwiązane w obliczeniach pierwszego etapu. Domena obliczeniowa musi być na tyle duża, aby nie ulegała wpływom bardziej złożonych cech nowo dodanego obiektu
- warunki brzegowe przenoszone na granice lub określone na granicach muszą być zgodne z założeniami problemu (np. jeśli w rozważanym problemie płyta główna wykonana jest z materiału przewodzącego ciepło, to nieprawidłowe jest przecięcie płyty głównej granicami domeny obliczeniowej, gdyż da to nieprawidłowy strumień ciepła z układu scalonego przez płytę główną)
Po przyjrzeniu się wszystkim warunkom, zdecydowano się na wybranie domeny obliczeniowej zgodnie z poniższym rysunkiem.
Po określeniu domeny obliczeniowej, można było już skorzystać z opcji Transferred Boundary Condition. Jako granice, do których należy przypisać warunki brzegowe wybrano Xmax, Ymin, Ymax.
Następnie wybrano symulację, z której należało przetransferować warunki brzegowe. W tym celu została wybrana symulacja przeprowadzona na pierwszym etapie. Kolejnym krokiem był wybór typu warunków brzegowych. Wszystkie możliwe opcje zostały przedstawione na poniższym rysunku.
- Typ Ambient polega na pobraniu wyników wcześniejszych obliczeń oraz przypisanie parametrów przepływu na granicach domeny obliczeniowej jako warunki początkowe.
- Typ Impulse działa bardzo podobnie, jedynie zamiast prędkości podaje wartość impulsu płynu
- Typ Velocity jest traktowany tak samo jak warunek brzegowy prędkości
- Typ Static pressure jest traktowany jak warunek brzegowy ciśnienia statycznego
- Typ Total pressure jest traktowany jak warunek brzegowy ciśnienia całkowitego
W tym przypadku zdecydowano się na skorzystanie z opcji „Ambient”.
Kolejnym krokiem było przypisanie mocy 5 Watt do głównego układu scalonego oraz przypisanie mu silikonu jako materiału. Sama obudowa oraz płyta główna są wykonane jako izolatory.
Przypisanie materiału do obudowy i głównej płyty
Kolejnym krokiem było przypisanie celi obliczeniowych. Jako cele wybrano maksymalną oraz średnią temperaturę głównego układu scalonego oraz radiatora. Następnie stworzono siatkę globalną z poziomem zagęszczenia równym 4 z wykrywaniem szczelin o szerokości 0.00254 m.
Dla tak wybranych ustawień przeprowadzono symulacje. Otrzymane wyniki przedstawiono poniżej.
Wykres temperatury na płaszczyźnie XZ dla pierwszego radiatora
Wykres temperatury na płaszczyźnie XY dla pierwszego radiatora
Wykres temperatury na płaszczyźnie YZ dla pierwszego radiatora
Wartości liczbowe celi obliczeniowych dla pierwszego radiatora
Kolejnym etapem było skopiowanie ustawień solvera do przypadku, gdzie został zastosowany radiator numer 2 i przeprowadzenie tych samych czynności. Wyniki drugiego przypadku zostały przedstawione poniżej.
Wykres temperatury na płaszczyźnie XZ dla drugiego radiatora
Wykres temperatury na płaszczyźnie XY dla drugiego radiatora
Wykres temperatury na płaszczyźnie YZ dla drugiego radiatora
Wartości liczbowe celi obliczeniowych dla drugiego radiatora
Żeby móc porównać wyniki skorzystano z opcji Compare. Jak widać, jest znacząca różnica pomiędzy obiema symulacjami.
Porównanie celi obliczeniowych dla obu przypadków
Jak widać, znacząco niższe temperatury są uzyskiwane dla radiatora numer 2. To samo można zaobserwować na powyższych wykresach konturowych, gdzie temperatury dla pierwszego radiatora są znacznie większe.
Wyniki zostały uzyskane w bardzo krótkim czasie. Żeby uzyskać te same wyniki, dla metody bez korzystania z EFD Zooming, należało poświęcić znacznie więcej czasu. Dla porównania, obliczenia dla pierwszego typu radiatora za pomocą EFD Zooming wykonywały się 50 sekund, natomiast żeby uzyskać wyniki z bezpośredniej symulacji, należało poświecić na to 174 sekundy. Jest to 3 razy dłuższy czas oczekiwania na wyniki!
Natomiast należy zwrócić również uwagę na dokładność wyników. Porównując EFD Zooming z bezpośrednią metodą, różnica w wynikach jest rzędu około 9%.
Porównanie wyników dla EFD Zooming i bezpośredniego modelu
Stąd też należy wywnioskować, że EFD Zooming pozwala znacznie szybciej poznać wyniki obliczeń, jednakże jego wyniki różnią się od bezpośrednich obliczeń. Wynika stąd, że EFD Zooming jest odpowiednią metodą, żeby poznać odpowiedź na pytanie, która wersja projektu jest lepsza. Jednakże, żeby poznać prawidłowe wyniki symulacji, zaleca się przeprowadzić bezpośrednią symulację na całej domenie obliczeniowej.
