در این تمرین،شبیه سازی جریان حرارتی را بر روی یک ریزتراشه الکترونیکی دارای یک هیت سینک توسط نرم افزار سالیدورک انجام می دهیم.
هیت سینک یا گرماگیر اصل نوعی مبدل حرارتی است که حرارت تولیدی در المان‌های الکترونیکی یا مکانیکی را کنترل می‌کند. هیت سینک، با جذب حرارت و پراکنده کردن آن در سیال اطراف خود (معمولا هوا) از بالا رفتن دمای قطعه مورد نظر و آسیب رسیدن به آن جلوگیری می‌کند.
همچنین میتوانید شبیه سازی جریان حرارتی تبادل شده بین چند سیال را بخوانید
یک محفظه حاوی یک تراشه الکترونیکی که گرم شده (در دمای 100 درجه سانتیگراد) و در قسمتی از یک صفحه میانی جداکننده نصب شده است و دارای دو مسیر جریان مجزا (بالا و پایین) است. یک هیت سینک آلومینیومی مستقیماً بالای تراشه در نیمه بالایی محفظه نصب شده است. یک صفحه طلایی در طرف دیگر تراشه در نیمه پایینی محفظه نصب شده است.
مسیر جریان پایین دارای هوای دمای اتاق (20 درجه سانتیگراد) است که با سرعت 5 متر بر ثانیه روی تراشه می وزد. مسیر جریان فوقانی دارای هوای سردتر (5 درجه سانتیگراد) است که با سرعت 5 متر بر ثانیه روی هیت سینک می وزد. مواد مورد استفاده برای ساخت تراشه و صفحه میانی دارای رسانایی ارتوتروپیک (یعنی هدایت حرارتی وابسته به جهت) هستند.
هدف از این تجزیه و تحلیل بدست آوردن توزیع دما در تراشه و صفحه میانی است.
1-باز کردن فایل اسمبلی :
نرم افزار سالیدورک را اجرا کنید و فایل اسمبلی TEC Gas Cooling را باز کنید.
برای دانلود فایل های مربوط به تمرین کلیک کنید
2-ایجاد یک پروژه شبیه سازی جریان حرارتی:
از تب Flow Simulatin با کلیک روی wizard یک پروژه جدید با ویژگی های زیر ایجاد کنید:
در بخش Configuration گزینه ی Use current را انتخاب کنید
در بخش Configuration name نام پیکربندی را ‘’Default’’ بگذارید.
در بخش Project name نام پروژه را “Orthotropic material” بگذارید.
در بخش Unit system استانداردSI (m-kg-s) را انتخاب کنید.
در بخش Analysis Type گزینه ی Internal را انتخاب کنید تا نوع تحلیل شما داخلی باشد.
در بخش Physical Features علاوه بر تیک Fluid Flow تیک Conduction را هم بزنید.
در بخش Database of Fluids از لیست گاز ها (Gases list) روی Air دبل کلیک کنید تا هوا را انتخاب کنید.
در بخش Solids (جامد ها) باید Default solid روی Insulator (عایق) از لیست Glasses and Minerals تنظیم شود.
در بخش Wall Conditions از لیست Default wall thermal condition list گزینه ی Adiabatic wall را انتخاب کنید مقدار Roughness را 0 تایپ کنید.
در بخش Initial conditions به تنظیمات پیشفرض دست نزنید و روی دکمه Finish کلیک کنید تا یک پروژه شبیه سازی جریان حرارتی برای هیت سینک ایجاد شود.
3-تنظیم پارامتر های عمومی مش بندی اولیه
از بخش mesh setting روی Global mesh کلیک کرده و در منوی باز شده سطح مش بندی را روی 3 قرار دهید. و مقدار minimum gap size را 0.00381 متر وارد کنید.
4-تعریف مواد جدید
قطعات Plate-1 و TEC-1 از موادی به نام صفحه ارتوتروپیک 1 و صفحه ارتوتروپیک 2 تشکیل شده اند ، از آنجایی که این مواد در کتابخانه سالیدورک وجود ندارند ما باید آن ها را تعریف کنیم.
در سربرگ Flow Simulation روی Engineering Data Base کلید کنید و در منوی باز شده در زیرشاخه های قسمت Materials مسیر Solids/User Defined را انتخاب کنید و سپس از نوار ابزار بالا روی گزینه ی New Item کلیک کنید تا یک فرم خالی با سربرگ Item Properties نمایان شود. در فرم نمایان شده به عنوان مشخصات ماده موارد زیر را وارد کنید:
در قسمت Name نام ماده را ”Orthotropic plate” بگذارید.
در قسمت Comment عبارت “Orthotropic material” را به عنوان توضیحات وارد کنید.
در قسمت Density چگالی ماده را روی 2700 kg/m^3 قرار دهید.
در قسمت Specific heat گرمای ویژه ماده را روی 1000 J/(Kg*K) قرار دهید.
در قسمت Conductivity typeگزینه ی Orthotropic را انتخاب کنید تا نوع رسانایی ماده را ارتوتروپیک قرار دهید.
در قسمت Therrmal Conductivity in X مقدار رسانایی گرمایی در راستای X را 1.5 W/(m*K) قرار دهید.
در قسمت Therrmal Conductivity in Y مقدار رسانایی گرمایی در راستای Y را 0.5 W/(m*K) قرار دهید.
در قسمت Therrmal Conductivity in Z مقدار رسانایی گرمایی در راستای Z را 3 W/(m*K) قرار دهید.
در قسمت Melting Temperature دمای ذوب ماده را 4400.33 K قرار دهید.
روی Save کلید کنید
5-تعریف مواد جدید
طبق روش مرحله قبل یک ماده جدید دیگر تعریف کنید این بار مشخصات زیر:
در قسمت Name نام ماده را ”Orthotropic plate 2” بگذارید.
در قسمت Comment عبارت “Orthotropic material” را به عنوان توضیحات وارد کنید.
در قسمت Density چگالی ماده را روی 2700 kg/m^3 قرار دهید.
در قسمت Specific heat گرمای ویژه ماده را روی 1000 J/(Kg*K) قرار دهید.
در قسمت Conductivity typeگزینه ی Orthotropic را انتخاب کنید تا نوع رسانایی ماده را ارتوتروپیک قرار دهید.
در قسمت Therrmal Conductivity in X مقدار رسانایی گرمایی در راستای X را 1.5 W/(m*K) قرار دهید.
در قسمت Therrmal Conductivity in Y مقدار رسانایی گرمایی در راستای Y را 50 W/(m*K) قرار دهید.
در قسمت Therrmal Conductivity in Z مقدار رسانایی گرمایی در راستای Z را 0 W/(m*K) قرار دهید.
در قسمت Melting Temperature دمای ذوب ماده را 3140.33 K قرار دهید.
از منو خارج شوید.
6-اختصاص مواد جامد
از زیر پوشه ی Input Data در درخت شبیه سازی روی Solid Materials راست کلیک کرده و سپس روی Insert Solid Material کلیک کنید و در منوی باز شده ، برای قسمت Selection از درخت اسمبلی روی پارت Heat sink کلیک کنید. سپس در قسمت solid لیست گروه Pre-Defined را گسترش دهید و از زیرگروه metals آلومینیوم (Aluminium) را انتخاب کنید و ok کنید.
7-اختصاص سایر مواد
طبق روش مرحله قبل ، اختصاص مواد را به صورت زیر انجام دهید:
ماده Orthotropic plate (از گروه User-Defined) را به قطعه ی TEC-1 اختصاص دهید .
ماده ی طلا (Gold) از زیرگروه Metals را به قطعه ی TEC-2 اختصاص دهید.
در قسمت Anisotropy دستگاه محتصات عمومی را انتخاب کنید زیرا این کار باعث میشود دستگاه مختصات ماده با دستگاه مختصات عمومی منطبق شود.
8-تعیین شرایط مرزی ورودی در نیمه ی بالایی
از بخش Conditions روی boundary conditions کلیک کرده و در منوی باز شده در بخش type در گروه flow openings با انتخاب inlet velocity یک شرایط سرعت در سطح داخلی صفحه عمودی ورودی هوا در نیمه بالایی طبق شکل ایجاد کنید و در قسمت Flow Parameters مقدار سرعت ورودی را 5 m/s وارد کنید .در قسمت Thermodynamic Parameters مقدار دما در ورودی را 5 درجه سانتیگراد قرار دهید و Ok کنید.
9-تعیین شرایط مرزی ورودی در نیمه ی پایینی
از بخش Conditions روی boundary conditions کلیک کرده و در منوی باز شده در بخش type در گروه flow openings با انتخاب inlet velocity یک شرایط سرعت در سطح داخلی صفحه عمودی ورودی هوا در نیمه پایینی طبق شکل ایجاد کنید و در قسمت Flow Parameters مقدار سرعت ورودی را 5 m/s وارد کنید .در قسمت Thermodynamic Parameters مقدار دما در ورودی را 20 درجه سانتیگراد قرار دهید و Ok کنید.
10-تعیین شرایط مرزی خروجی در نیمه ی بالایی
از بخش Conditions روی boundary conditions کلیک کرده و در منوی باز شده در بخش type در گروه Pressure openings با انتخاب Static Pressure یک شرایط فشار ایستا در سطح داخلی صفحه عمودی خروجی هوا در نیمه بالایی طبق شکل ایجاد کنید و در قسمت Thermodynamic Parameters مقدار دما و فشار را را مقادیر پیشفرض قرار دهید و Ok کنید.
11-تعیین شرایط مرزی خروجی در نیمه ی پایینی
از بخش Conditions روی boundary conditions کلیک کرده و در منوی باز شده در بخش type در گروه Pressure openings با انتخاب Static Pressure یک شرایط فشار ایستا در سطح داخلی صفحه عمودی خروجی هوا در نیمه پایینی طبق شکل ایجاد کنید و در قسمت Thermodynamic Parameters مقدار دما و فشار را را مقادیر پیشفرض قرار دهید و Ok کنید.
12-تعریف منبع گرما
از بخش Sources روی Volume source کلیک کرده و در منوی باز شده برای قسمت Selection از درخت اسمبلی روی قطعه ی TEC-1 کلیک کنید و سپس در قسمت Parameters گزینه ی Temprature را انتخاب کنید و مقدار دما را 100 درجه سانتیگراد قرار دهید و ok کنید.
13-تعیین اهداف حجمی دما
از بخش goals روی Volume goals کلیک کرده و در منوی باز شده برای قسمت selection از درخت اسمبلی قطعه ی Heat sink را انتخاب کنید و در قسمت Parameters تیک ستون های max از سطر Temperature (Solid) را بزنید و Ok کنید و نام هدف ایجاد شده را به VG Max Temp of Heat Sink تغییر دهید.
به همین ترتیب و مشابه همین هدف برای قطعات TEC-1 و TEC-2 هدف حجمی دما تعیین کنید.
14-اجرای پروژه شبیه سازی جریان حرارتی
با کلیک روی بخش Run پروژه شبیه سازی جریان را اجرا کنید.ممکن است این فرایند حدود 3 دقیقه طول بکشد.
15-ایجاد نمودار سطحی دما روی هیت سینک و صفحه جدا کننده
از زیر پوشه ی results روی Surface plots و سپس روی insert کلیک کرده و در منوی باز شده برای قسمت Selection از درخت اسمبلی قطعات Heat sink و Plate را انتخاب کنید و و در قسمت contours با انتخاب (Solid) tempreture دما را برای جامدات انتخاب کنید و عدد Number of levels را روی 50 قرار دهید و ok کنید.
