Моделирование тепловых режимов работы аппаратуры силовой электроники в среде SolidWorks Flow Simulation

Михаил Гончаров

Виктор Дворников

Увеличение количества и уровня сложности возникающих перед человеком задач требует совершенствования технических инструментов для их решения. Прогресс науки и техники обуславливает активное развитие автоматизации производства, проектирования, процессов принятия решений и т. д. Важной частью автоматизации служит ее электронная составляющая. Полупроводники используются в самых различных отраслях науки, техники и промышленного производства: космос, вооруженные силы, робототехника, железнодорожное сообщение, авиация, станкостроение, автомобилестроение и др. Более того, с каждым днем от изделий силовой электроники требуется все больше мощности, скорости и точности. Однако это приводит к возникновению таких побочных эффектов, как деформация кристаллов, потеря стабильности вычислений и даже полный выход из строя того или иного компонента. В большинстве случаев причиной проблем является перегрев вследствие повышения рассеиваемой мощности. В то же время экспериментальная проверка работоспособности системы довольно дорога, а зачастую невозможна не только по экономическим, но и по конструктивным соображениям.

В таких случаях выходом из положения служит моделирование теплообмена в системе или, проще говоря, тепловой расчет. Сейчас существует множество средств моделирования тепловых режимов электронный устройств: Flomerics Flotherm, ANSYS Icepack и др. Мы рассмотрим модуль Flow Simulation, интегрируемый в систему SolidWorks.

За счет полной интеграции Flow Simulation в SolidWorks инженер может моделировать геометрию и выполнять все расчеты и анализы, как говорится, «в одном окне». Это значительно снижает вероятность возникновения ошибок импорта/экспорта геометрии через промежуточный формат данных (например, SAT, IGES и т. д.).

В статье рассматриваются основные принципы и особенности Flow Simulation на примере стационарного моделирования системы активного воздушного охлаждения для некоего силового прибора. Геометрическая модель системы представлена на рис. 1.

Рис. 1. Геометрическая модель системы (подложка силового прибора, установленная на охладитель)

Для моделирования был выбран охладитель с профилем фирмы Fischer elektronik SK530 и вытяжкой на 300 мм. Для отвода горячего воздуха от охладителя были созданы две геометрически упрощенные модели вентилятора фирмы Ebm Papst 8314 H. На рис. 2 приведены чертеж вентилятора и его упрощенная модель. Как видно, модель состоит из небольшого прямоугольного параллелепипеда, служащего указанием габаритов корпуса вентилятора, и полого цилиндра, указывающего на область, от которой непосредственно идет воздух (ведь от узла, к которому прикреплены лопасти, по большому счету воздух не поступает).

Рис. 2. Чертеж и модель вентилятора

Мы опустили глубину вентилятора, так как в данном случае она не играет роли: все характеристики будут задаваться напрямую в самом модуле Flow Simulation.

Надо отметить, что для упрощения работы в Flow Simulation еще до подключения расчетного модуля были сделаны начальные установки: для подложки силового элемента и охладителя — сплав алюминия 6063, для вентиляторов — пластик PBT общего назначения. Мы не будем подробно останавливаться на задании условий окружающей среды, а сосредоточимся именно на том, что же отличает SolidWorks Flow Simulation от других подобных модулей в сфере тепловых расчетов.

Прежде всего, это методы построения расчетной сетки. Как и многие производители программного обеспечения в этой области инженерного анализа, в Flow Simulation используется метод конечных объемов. Однако, помимо автоматического построения расчетной сетки, что не всегда приводит к приемлемой точности результатов, в данном модуле присутствует и ручное задание сетки. Такой метод позволяет инженеру управлять концен-трированностью сетки на мелких деталях исследуемой системы. В нашем случае профиль охладителя имеет весьма сложную геометрию, поэтому мы воспользуемся этим методом. Он проходит в 3 этапа: вначале вручную строится начальная крупная сетка, затем она уплотняется с помощью увеличения числа сечений по осям, а затем концентрируется там, где это нужно (рис. 3).

Рис. 3. Этапы построения сетки

Это может быть поток газа, который нужно детально изучить, мелкие щели в геометрии, скругления и т. д. Причем, если это необходимо, можно периодически обновлять третий этап построения по итерациям. Нас интересует область границы охладителя и окружающего воздуха. Получившаяся сетка для области твердых тел показана на рис. 4.

Рис. 4. Расчетная сетка

Еще одной особенностью Flow Simulation является то, что при назначении физических свойств моделей их можно импортировать из SolidWorks, имеющего обширные библиотеки материалов (рис. 5). Это значительно упрощает и ускоряет процесс моделирования, особенно в случае сложных систем со множеством объектов, обладающих различными тепловыми характеристиками.

Рис. 5. Импорт материалов из SolidWorks

Отдельного внимания заслуживает моделирование в Flow Simulation вентиляторов, при создании которых указываются такие параметры, как режим работы (внешний на вдув или выдув, внутренний), температура подаваемого воздуха, тип вентилятора (осевой/радиальный) и многое другое. Основные задаваемые параметры приведены на рис. 6.

Рис. 6. Параметры вентилятора

Одной из важнейших характеристик является зависимость разности давлений от потока воздуха вентилятора, обычно задаваемая графиком. На рис. 7 показан график такой зависимости, предоставленный производителем вентилятора и заданный в модели.

Рис. 7. Задание воздушного потока вентилятора

В качестве источника тепла можно указывать поверхность или объем, для которых в свою очередь указывается тип тепловыделения (для поверхности — мощность, для объема — мощность и температура). Причем, само тепловыделение задается не только как константа, но и как функция от датчиков, или в виде таблицы. Датчики снимают самые различные показания твердых тел и окружающей среды. В нашем случае для контроля сходимости полученного решения будем использовать датчики температур твердых тел (рис. 8).

Рис. 8. Показания датчиков

В процессе вычислений для их контроля можно в реальном времени строить графики показаний датчиков, а также срезовые эпюры температур, давления, скоростей и т. д. Вычисление можно прерывать, сохраняя при этом промежуточный результат, что позволит продолжить расчет позже.

Для визуализации Flow Simulation имеет полный инструментарий, ставший уже стандартом для приложений такого рода. В него входят срезовые и поверхностные эпюры, распределение результатов по потокам текучей среды (в нашем случае это воздух) и др. Некоторые из них показаны на рис. 9.

Рис. 9. Представление результатов моделирования

Кроме того, есть возможность экспорта полученных данных в формат Microsoft Excel, что позволяет использовать его математический аппарат для анализа полученного решения. На рис. 10 показан график сходимости температур, построенный в Microsoft Excel на основе полученных результатов.

Рис. 10. График сходимости температур