項目1實驗平臺的基本原理與功能操作ppt課件

1、半導體照明散熱設計與分析(實驗部分)天津工業(yè)大學主講人：張建新4D408實驗課程概略工程1：實驗平臺的根本原理與功能操作 工程2：翅片散熱器的設計與分析實驗 工程3：熱輻射塊和板的設計與分析實驗 工程4：熱分布的瞬態(tài)分析實驗 工程5：LED投光燈的散熱設計與分析實驗 本次實驗的主要內容工程1：實驗平臺的根本原理與功能操作一、計算流膂力學CFD概述二、CFD數值模擬的總體任務步驟三、CFD求解過程四、常用的商用熱分析軟件五、Icepak軟件簡介六、Icepak軟件的根本操作七、單顆LED模塊散熱仿真的操作演示一、計算流膂力學CFD概述1、CFD定義：經過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動

2、和傳熱等相關物理景象的系統所做的分析。2、CFD的運用：單純流體的場域計算空氣水體流體參與傳熱的場域計算散熱環(huán)境級、系統級、電路板級、元件級3、CFD的根本思想把原來在時間域和空間域上延續(xù)的物理量的場如：速度場、溫度場、壓力場等，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來替代，經過一定的原那么和方式建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組，然后求解代數方程組獲得場變量的近似值。散熱過程的CFD方法，本質上就是： 散熱CFD = 流膂力學 + 傳熱學 + 數值分析4、熱分析的根本方法及其對比主要優(yōu)點主要缺點作用傳統的理論分析法1.計算結果具有普遍性；1.對計算對象進行抽象和簡化后，才能得到理

3、論平均解，帶有較大誤差；提供研究的理論基礎2.影響因素清晰可見。2.對非線性情況，很少能得到解析解。實驗測量法結果的真實可信度較高。1.受模型尺寸、流場擾動、人身安全、測量精度等外界因素的限制，內部結構難以測量；驗證由其它方法分析得到的結果真實性2.實驗成本高，周期長。CFD數值分析法1.克服了前面兩個方法的缺點；1.需要將眾多影響因素抽象成適合計算的物理模型和數學模型；提高熱分析效率，展現場域數據的分布2.能快速得到不同情況下的溫度場的分布數據。2.對研究者的理論基礎和數值分析能力的要求較高。構成了熱分析的完好體系二、CFD數值模擬的總體任務步驟1、建立反映工程問題或物理問題本質的數學模型：

4、(CFD方法處理問題的出發(fā)點)2、尋求高效率、高準確度的計算方法：(CFD方法的中心)3、編制功能程序和進展計算：(破費時間最多)4、顯示計算結果：(檢查和分析模擬質量)微分方程定解條件初始條件邊境條件微分方程的離散和求解方法邊境條件的處置離散化有限差分法有限元法有限容積(體積)法如：Icepak計算網格的劃分輸入初始條件和邊境條件設定控制參數場域分布圖場域點數據分布表三、CFD求解過程計算二維空間內無熱源的穩(wěn)態(tài)傳導換熱情況下的數值解。假設計算區(qū)域為正方形，邊長=4mm，左側、右側和下側邊境溫度為0 K，上側邊境溫度為1 K。(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(1) 建立控

5、制方程0 xy0 K0 K0 K1 K4 mm4 mm能量守恒方程：包含 三維、源項、時間項質量守恒方程：包含 三維、時間項質量守恒的能量守恒方程：二維、無時間項、無源項計算二維空間內無熱源的穩(wěn)態(tài)傳導換熱情況下的數值解。假設計算區(qū)域為正方形，邊長=4mm，左側、右側和下側邊境溫度為0 K，上側邊境溫度為1 K。(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(2) 確立初始條件及邊境條件0 xy0 K0 K0 K1 K4 mm4 mm初始條件：因無時間項，所以可不設定初始條件。邊境條件：(3) 劃分計算網格，生成計算節(jié)點劃分網格：采用“差分格式離散成均勻網格，網格步長=1mm節(jié)點編號：用

6、(i,j)坐標表示每一個節(jié)點，i=1,2,3,4,5; j=1,2,3,4,5.0 xyij(i,j)(i+1,j)(i-1,j)(i,j+1)(i,j-1)三、CFD求解過程三、CFD求解過程計算二維空間內無熱源的穩(wěn)態(tài)傳導換熱情況下的數值解。假設計算區(qū)域為正方形，邊長=4mm，左側、右側和下側邊境溫度為0 K，上側邊境溫度為1 K。(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(4) 建立離散方程內節(jié)點的差分別散方程0 xy0 K0 K0 K1 K4 mm4 mm0 xy(i,j)(i+1,j)(i-1,j)(i,j+1)(i,j-1)無初始條件，所以無需離散(5) 離散初始條件和邊

7、境條件邊境節(jié)點的差分別散方程三、CFD求解過程計算二維空間內無熱源的穩(wěn)態(tài)傳導換熱情況下的數值解。假設計算區(qū)域為正方形，邊長=4mm，左側、右側和下側邊境溫度為0 K，上側邊境溫度為1 K。(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(6) 給定求解控制參數將步驟(4)(5)所得的待求解方程組寫成矩陣方式：0 xy0 K0 K0 K1 K4 mm4 mm0 xy(i,j)(i+1,j)(i-1,j)(i,j+1)(i,j-1)該系數矩陣為滿秩，那么方程組有獨一解，其解一定收斂，無需給定控制參數。(假設存在對流項，那么必需給定控制參數)三、CFD求解過程計算二維空間內無熱源的穩(wěn)態(tài)傳導換熱

8、情況下的數值解。假設計算區(qū)域為正方形，邊長=4mm，左側、右側和下側邊境溫度為0 K，上側邊境溫度為1 K。(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(7) 求解離散方程0 xy0 K0 K0 K1 K4 mm4 mm0 xy(i,j)(i+1,j)(i-1,j)(i,j+1)(i,j-1)該方程組往往都很大，采用的方法可分為兩大類：直接解法和迭代解法。其中迭代解法占內存較小，有利于用小機器求解大問題，因此商用軟件往往采用迭代解法。(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)Icepak中的殘差分析：認定三種守恒方程質量守恒、能量守恒、動量守恒的迭代殘差都小于110-3，

9、且監(jiān)控點溫度趨于平衡時，可以以為求解結果收斂。三、CFD求解過程(8) 解收斂否流線圖等值曲線圖矢量圖云圖四、常用的商用熱分析軟件1、軟件分類通用熱分析軟件：并不是根據電子設備特點而編制的，但可用于電子設備熱分析。 如：Flotrn、Algor、Ansys等。公用電子設備熱分析軟件：專門針對電子設備特點而開發(fā)，具有較大的靈敏性。 如：BETAsoft、Coolit、Flotherm、Icepak、Qfin、QLED等。2、軟件的根本架構數據輸入及維護模塊網格生成及顯示模塊數值計算模塊求解器結果輸出及顯示模塊五、Icepak軟件簡介1、軟件公司的開展Fluent公司努力于為用戶提供流動模擬及熱分

10、析的仿真軟件及效力，運用戶大大改良設計，縮短設計時間，從而具有強大的中心競爭力和優(yōu)勢。2、 Fluent公司的軟件種類FLUENT 6基于CFD的有限體積法，適用于可壓/不可壓流，層流/湍流,包括化學反響和多相流。FIDAP基于CFD的有限元法,適用于不可壓/可壓流，層流/湍流, 包括牛頓流體/非牛頓流體, 自在界面和流體構造接觸面的相互作用POLYFLOW基于CFD的有限元法,適用于模擬高粘性流動(如流變流體)和外表流動MixSim模擬混合過程的專業(yè)軟件Icepak熱管理和電子儀器散熱分析的專業(yè)軟件Airpak熱管理和電子儀器散熱分析的專業(yè)軟件3、 Icepak是一種基于對象建模的軟件Ice

11、pak允許以下方式建模:主體對象:如塊(blocks),板(plates),風扇(fans),通風口(vents),阻尼(resistance)等。宏:如IC封裝, PCBs,輻射散熱器, 詳細風扇曲線。4、 Icepak的仿真才干穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)問題層流/湍流模型強迫對流/自然對流 /混合對流多流體問題內/外流分析耦合傳熱輻射固定邊境條件/動邊境 條件/ 對稱邊境條件 依賴于時間的特性強大的網格生成:延續(xù)非構造網格構造網格非延續(xù)非構造網格求解器特點:參數化并行處置網格間插值Zoom-in建模其它功能:靈敏的單位定義用戶自定義封裝庫從MCAD/ECAD文件導入ProE-Icepak界面先進的后處置和

12、生成報告的功能六、Icepak軟件的根本操作1、怎樣啟動IcepakWindows:點擊桌面上的快捷鍵“Icepak4.3.10在開場菜單點擊Programs/Fluent.Inc/Icepak4.0UNIX:從系統命令行中輸入“icepak2、啟動界面Icepak啟動后,自動彈出New/existing面板3、創(chuàng)建新工程在New/Existing面板中點擊New翻開New project面板4、翻開已有工程在New/Existing面板中點擊Existing翻開Open project window面板5、Icepak的文件構造每個Icepak工程都是由包含途徑的工程文件組成工程名= 途徑名

13、文件種類包括:問題設置文件-JOB, MODEL和PROBLEM文件網格文件求解文件后處置/報告文件 其中Job, Model和Problem文件是重建工程必需求有的文件。6、緊縮/解壓工程在New/Existing面板中點擊Unpack翻開File selection面板只需job, model 和problem 文件被緊縮緊縮格式為*.tzrFilePack 進展緊縮操作FileUnpack進展解壓操作7、用戶圖形界面8、Icepak建模對象的簡單引見9、模型工具欄：創(chuàng)建對象10、模型工具欄：編輯和對齊功能11、快捷工具欄12、模型樹13、鼠標功能七、單顆LED模塊散熱仿真的操作演示1. 創(chuàng)建并保管一個名為Example1的Icepak工程，在其中建立如以下圖描畫的一個簡單散熱模塊，并根據根本