如何通過Flotherm熱分析仿真優(yōu)化風(fēng)扇結(jié)構(gòu)設(shè)計
有限元熱設(shè)計仿真軟件Flotherm在電子設(shè)備散熱應(yīng)用很廣。Flotherm通過研究風(fēng)扇出風(fēng)口與散熱器間的距離對模塊散熱的影響，以及監(jiān)測散熱器齒片間流場的均勻度及關(guān)鍵功率器件處散熱器表面的溫升，來合理控制熱設(shè)計冗余，能確定出風(fēng)扇出風(fēng)口與散熱器間的最佳距離，為電源產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供可行的解決方案。
深圳市有限元科技有限公司是Flotherm在中國的一級代理商，并代理國外其他多款cae軟件，有限元科技是以工程仿真軟件開發(fā)為核心，集cae咨詢、cae培訓(xùn)、cae軟件研發(fā)與銷售為一體的高科技企業(yè)。公司秉承以最高質(zhì)量的產(chǎn)品和最高質(zhì)量的服務(wù)滿足客戶的各種需求的服務(wù)理念，致力于為客戶提供一站式cae整體解決方案，目前已為全國超過500家企業(yè)提供cae分析服務(wù)。如需購買軟件或咨詢服務(wù)等請聯(lián)系電話：13632683051，QQ：2039363860/4006046636。
今天，有限元科技小編跟大家分享的是：如何通過Flotherm熱分析仿真優(yōu)化風(fēng)扇結(jié)構(gòu)設(shè)計。
1、背景
在強迫吹風(fēng)冷卻情形下，由于風(fēng)扇旋渦swirl存在，散熱器與風(fēng)扇間的距離對其流場均勻度影響較大，理論上，當(dāng)散熱器與風(fēng)扇間的距離的距離足夠大時，風(fēng)扇旋渦swirl對流場的影響較小，然而在產(chǎn)品設(shè)計中，由于體積的限制，不可能允許散熱器與風(fēng)扇間的距離太大，換句話說，風(fēng)扇旋渦swirl對散熱的影響是一定存在的，本文利用FLOTHERM熱仿真分析軟件，通過合理控制熱設(shè)計冗余，力求得出一個較合理的風(fēng)扇與散熱器的距離，為電源產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒。
2、仿真分析模型
下圖為吹風(fēng)冷卻時風(fēng)扇出風(fēng)口與散熱器間距離對模塊散熱影響研究的仿真分析模型。
在該模型中，冷卻空氣入口溫度，也即是模塊工作的環(huán)境溫度為40C。系統(tǒng)采用三個外形直徑為150.0mm，HUB直徑為75.0mm軸流風(fēng)扇作為該模塊的冷卻風(fēng)扇，在改變風(fēng)扇與散熱器間的距離時，僅僅延伸求解域的大小，不改變該模型中散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸、功率元器件的大小、布置位置以及散熱器部分的網(wǎng)格劃分，力圖使不同模型間的維一差異為風(fēng)扇與散熱器間的距離。同時，為了能夠很好地反映風(fēng)扇與散熱器間距離對模塊散熱性能的影響，在模塊前沿定義了4個溫度監(jiān)控點，用這些監(jiān)控點來顯示功率器件與散熱器接觸面的中間點溫度。模塊散熱性能的優(yōu)劣，不僅可以通過冷卻風(fēng)扇工作點的相關(guān)信息（流體的質(zhì)量或體積流量、系統(tǒng)阻力或風(fēng)扇工作壓力）來表現(xiàn)，而且還可以通過監(jiān)控點的溫度變化值、求解域空間的流場均勻程度等得到直觀地體現(xiàn)。
3、仿真分析結(jié)果
（1）風(fēng)扇工作點及溫度監(jiān)控點
由圖2可以看出，在該模塊中，流經(jīng)冷卻風(fēng)扇流體的體積流量隨著風(fēng)扇與散熱器間距離的增大而增大，并且該體積流量的增大在Distance為25.0mm~75.0mmm.tyrp.net之間尤為顯著，也即是說：此時冷卻風(fēng)扇的流量對該距離非常敏感，把該距離稍微增大一點，流體流經(jīng)風(fēng)扇的體積流量就有相當(dāng)顯著的變化。同時，當(dāng)Distance的取值為75.0mm~175.0mm之間時，雖然從總體上而言風(fēng)扇的體積流量也隨距離的增大而增加，但其增大的幅度較前一階段有明顯的下降，也即是說：此時風(fēng)扇流量處于對該距離的不太敏感區(qū)域。上述的結(jié)論，我們也可以從冷卻風(fēng)扇工作點的壓力值與距離之間的關(guān)系圖（圖2）及各個溫度監(jiān)控點隨距離的變化關(guān)系曲線（如圖3、4、5、6等）上可以得到進(jìn)一步的證明。
在圖3、4、5、6中，需要說明一點的是：溫度監(jiān)控點1和2反映出了上述的分析，即：隨距離的增大，流經(jīng)冷卻風(fēng)扇的風(fēng)量得到加強，散熱器的換熱得到強化，其上功率元器件的殼溫得到一定程度的下降。但是，仔細(xì)觀察監(jiān)控點3、4（見圖5、6），我們似乎不能夠根據(jù)上述的分析，得到一個合理的解釋。
難道監(jiān)控點3、4（圖5、6）隨距離的變化關(guān)系曲線正是說明了上述分析的一個缺陷？答案是否定的。事實上，溫度監(jiān)控點3、4有如此的變換關(guān)系，從某種程度上說，正是體現(xiàn)了在該散熱器空間，流場均勻程度隨風(fēng)扇與散熱器間距離的這種變化關(guān)系。進(jìn)一步的分析，我們可以通過觀察、分析風(fēng)扇中截面的速度分布圖，來得到合理的解釋。
（2）模塊內(nèi)流場的均勻程度
如圖7、8、9、10、11、12、13，它們分別是在不同距離的前提下，風(fēng)扇的中截面速度分布圖。由于在建模過程中，考慮到這是風(fēng)扇吹風(fēng)冷卻，風(fēng)扇swirl對流場的影響較大，因此在模型中打開風(fēng)扇的swirl參數(shù)設(shè)置。
從下列的速度分布圖中可以看出：在吹風(fēng)條件下，風(fēng)扇swirl對流場的影響是非常顯著的，并且其流場的均勻程度隨風(fēng)扇距散熱器間的距離有較為顯著的變化。相比較而言，在風(fēng)扇距散熱器間的距離為25.0~75.0mm間，流場均勻程度與該距離的相關(guān)度較該距離為75.0~175.0mm時大。隨著距離進(jìn)一步的增大，散熱器齒間和散熱器入口的流場都變得更加的均勻，散熱器的效率得到進(jìn)一步的提高。當(dāng)該距離達(dá)到或超過冷卻風(fēng)扇的一個外形直徑時，從圖12、圖13中可以看出，在全域上可以認(rèn)為流場的分布已經(jīng)達(dá)到幾乎理想的狀態(tài)。
圖8 距離為50.0mm時風(fēng)扇中截面的速度分布圖
圖7 距離為25.0mm時風(fēng)扇中截面的速度分布圖
圖9 距離為75.0mm時風(fēng)扇中截面的速度分布圖
圖11 距離為125.0mm時風(fēng)扇中截面的速度分布圖
圖12 距離為125.0mm時風(fēng)扇中截面的速度分布圖
圖13 距離為175.0mm時風(fēng)扇中截面的速度分布圖
4、結(jié)論
在實際應(yīng)用中，受到產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)布置、外形尺寸等相關(guān)因素的限制，冷卻風(fēng)扇與散熱器間的距離不可能得到任意滿足。那么，如何合理、經(jīng)濟(jì)地確定風(fēng)扇與散熱器間距離的大小，如何平衡諸多因素間的矛盾呢？我們必須從引起該結(jié)果差異的原因中進(jìn)行分析，找出一個折衷的方法來較為合理、經(jīng)濟(jì)地確定該距離的大小。
仔細(xì)分析造成流場不均勻的原因，其關(guān)鍵的因素就是：一方面，由于實際風(fēng)扇中HUB的存在，使冷卻風(fēng)從風(fēng)扇環(huán)形的截面吹出，從而在風(fēng)扇HUB的下游區(qū)域形成不均勻地流場分布；另一方面，軸流風(fēng)扇的工作原理迫使流經(jīng)該風(fēng)扇出口截面的流體，呈旋轉(zhuǎn)狀態(tài)流向下游。實際上，在保證流體流出風(fēng)扇后一定距離的情況下，這種旋轉(zhuǎn)效果是能夠促進(jìn)流體間的混合，從而形成一個比較均勻的流場分布，如圖12與圖13所示。結(jié)合圖7~圖13風(fēng)扇中截面速度分布圖與溫度監(jiān)控點隨距離的變化關(guān)系曲線（圖3~圖6），我們可以看出，當(dāng)風(fēng)扇距散熱器為一個風(fēng)扇的HUB直徑時，由于HUB存在而導(dǎo)致的不均勻流場可以得到較大程度上的改善，雖然流場分布還是存在一定程度上的不均勻，但是表現(xiàn)在散熱器上功率元器件的殼溫，卻沒有顯著的變化，從而形成這一漸近的變化趨勢曲線。由此我們可以得出以下結(jié)論：
（1）風(fēng)扇強迫吹風(fēng)冷卻時，在冷卻風(fēng)扇出口下游處，造成流場不均勻的主要因素主要是風(fēng)扇HUB的存在，其次才是流體流經(jīng)軸流風(fēng)扇后的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。
（2）該結(jié)構(gòu)設(shè)計上，為了能夠獲得散熱器的最大散熱能力，我們必須要保證冷卻風(fēng)扇出口截面與散熱器間的距離至少大于一個風(fēng)扇HUB的直徑。但是，一旦該距離超過一個風(fēng)扇的外形直徑后，對下游流場均勻程度的貢獻(xiàn)已經(jīng)微乎其為，可以不用考慮該因素造成影響散熱器散熱能力這一因素。
（3）如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，無法保證冷卻風(fēng)扇出口截面與散熱器間的距離至少大于一個風(fēng)扇HUB的直徑，則必須要求在風(fēng)扇與散熱器間安裝整流柵。
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