Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 004

МЕТОДИКА ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОРЕБРЕНИЯ РАДИАТОРОВ С ПОМОЩЬЮ СОВРЕМЕННОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Рассмотрена методика выбора оптимальных параметров оребрения радиаторов охлаждения, разработанная на основе использования программных продуктов компании Ansys, таких как Design Modeler, Fluent, CFD-Post и Design Exploration.

Введение

Радиаторы входят в состав систем охлаждения и предназначены для поддержания нормального теплового режима приборов за счет регулируемого отвода тепла от конструктивных элементов в окружающую среду. Для выбора радиаторов используют различные методы: аналитических расчётов, экспериментального исследования, подбора по каталогу производителя, определения параметров по номограммам, компьютерного моделирования. Первые требуют участия человека в процессе проведения расчёта и времени на верификацию каждого результата, вторые - затрат на производство опытных образцов радиоэлектронной аппаратуры и проведение экспериментов, третьи - выбора из числа стандартных видов. Перечисленных недостатков лишены методы компьютерного моделирования, позволяющие проводить автоматизированные расчёты, анализы результатов и прогнозирование изменения температурных полей радиаторов в зависимости от изменения его геометрических (толщина ребра, шаг оребрения) и физических характеристик (материал радиатора).

Особенность определения оптимальных параметров оребрения радиаторов состоит в том, что заранее неизвестна интенсивность отвода тепла от боковых поверхностей рёбер. Эта интенсивность характеризуется коэффициентом теплоотдачи, который зависит от межрёберного расстояния, вида материала, зачернённости поверхности и т.д.

Представленная методика определения оптимальных параметров оребрения радиатора отвечает требованию минимизации его теплового сопротивления (ТС). Данное условие говорит о том, что при определённых геометрических и физических характеристиках способность радиатора отводить тепло в окружающее его пространство максимальна.

Методика проведения автоматизированной параметризации

На рис.1 представлена блок-схема, отражающая последовательность действий при проведении процесса автоматизированной параметризации.

После того, как был определён объект исследования, в качестве программного продукта был выбран Ansys, позволяющий проводить автоматизированную параметризацию.

Геометрическая модель радиатора создаётся в Design Modeler. Исходная геометрия для всех расчётов используется одна и показана на рис.2. Расчётный домен, строящийся вокруг радиатора для последующего расчёта теплоотвода от радиатора в окружающую среду, не показан.

Толщина ребра и шаг оребрения задаются как входные параметры, которые далее будут изменяться в расчётах. Количество рёбер является параметром, зависящим от входных параметров.

Рисунок 1 - Последовательность проведения автоматизированной параметризации

Рисунок 2 - Трехмерная геометрия радиатора

· - поперечные размеры основания радиатора;

· - высота радиатора;

· - высота рёбер;

· - толщина ребра;

· - шаг оребрения.

Расчёты тепловых режимов радиатора в условиях стационарной теплопередачи производятся с помощью Fluent. Тепловая модель представляет собой совокупность упрощений и допущений, свойств материалов и граничных условий, сделанных при переходе от реальной модели к исследуемой.

Входными параметрами были определены теплофизические свойства материалов, такие как коэффициенты теплопроводности. Исходным материалом был выбран сплав алюминия АМг6.

Все расчёты проводились в условиях естественного конвективного теплообмена при температуре окружающей среды 20^оС в поле сил тяжести, варьировались ориентация радиатора в пространстве и равномерность тепловыделения на его поверхности основания. На рис.3 представлена тепловая модель горизонтально расположенного радиатора, рис.4 - вертикально расположенного, рис.5 - вертикально расположенного с локальным источником тепловыделения.

Рисунок 3 - Тепловая модель горизонтально расположенного радиатора

Рисунок 4 - Тепловая модель вертикально расположенного радиатора

Рисунок 5 - Тепловая модель вертикально расположенного радиатора с локальным источником тепловыделения

автоматизированный параметризация оребрение радиатор

В качестве граничных условий указано поступление тепловой энергии (тепловой поток, падающий на поверхность радиатора) и её выход из объёма домена (значение температуры среды и условие «стока» тепла (давление приравнивается нулю) на всех границах домена). Все представленные тепловые модели разработаны с учётом допущения, что тепловой поток постоянен и равномерно распределён по поверхностям, на которые он подаётся (либо на всю поверхность основания, либо на его маленький участок).

Для задания выходных параметров используется CFD-Post. Выходными параметрами могут быть функции, зависящие от изменения геометрии и физических свойств (толщины ребра, шага оребрения и материала радиатора): максимальная температура радиатора либо его ТС, которое представлено в виде следующей формулы

где - средняя температура основания радиатора;

- температура окружающего воздуха;

- тепловой поток.

В условиях, когда тепловой поток меняется, интегральным показателем эффективности теплоотвода от радиатора является ТС. В данной задаче поток постоянен, поэтому можно взять за показатель любой из выходных параметров. За таковой было взято ТС.

Далее программа автоматически производит расчёт задачи с нахождением значения выходных параметров в зависимости от изменения входных. Значения всех параметров заносятся в таблицу, сгенерированную в среде Design Exploration, после этого пользователь по данной таблице определяет геометрические и физические характеристики, соответствующие минимальному ТС.

Результаты расчётов и их анализ

В процессе работы была определена зависимость ТС от коэффициента теплопроводности разных материалов. По графику (рис.6) видно, что, значение ТС при использовании меди практически не изменилось по сравнению с использованием сплава алюминия АД1. Поэтому материалом, использующимся далее в расчётах, стал сплав алюминия АД1.

Рисунок 6 - Зависимость ТС радиатора от выбора материала

На рис.7 представлена зависимость ТС от толщины рёбер для горизонтально расположенного радиатора, рис.8 - для вертикально расположенного, рис.9 - для вертикально расположенного с локальным источником тепловыделения.

Рисунок 7 - Зависимость ТС радиатора от толщины рёбер для горизонтально расположенного радиатора

Рисунок 8 - Зависимость ТС радиатора от толщины рёбер для вертикально расположенного радиатора без локального источника

Рисунок 9 - Зависимость ТС радиатора от толщины рёбер для вертикально расположенного радиатора с локальным источником

Представленные на рис.7-9 минимальные значения ТС (обведены рамкой) свидетельствуют о том, что при данной конфигурации параметров (количестве рёбер и их толщине) способность радиатора отводить мощность от источников тепловыделения в окружающую среду максимальна. ТС горизонтально расположенного радиатора после параметризации уменьшилась на 30%; вертикально расположенного без локального источника - на 28,5%; вертикально расположенного с локальным источником - на 31,5%.

Заключение

Рассмотрена методика определения оптимальных параметров оребрения радиаторов с помощью создания параметрических моделей. Эффективность методики подтверждена на примере определения оптимальных параметров оребрения для трёх вариантов моделей радиаторов, различающихся ориентацией радиатора и равномерностью теплового источника.

Разработанная методика позволяет производить параметризацию радиаторов двух типов (ребристые и штыревые) в условиях естественного воздушного охлаждения с применением всех видов теплообмена.

Литература

1. ANSYS, Inc., ANSYS Help.

2. Fluent. Программное обеспечение для инженерного анализа [Электронный ресурс] - http://cae-expert.ru/product/ansys-fluent.

3. Дульнев Г. Н. Теория тепломассообмена. Конвекция. Радиация. Массообмен. Учебное пособие, - Л.: ЛИТМО, 1977. - 92с.

Размещено на Allbest.ru