자연 대류는 온도 변화로 인한 밀도 그라데이션 때문에 발생한 부력 구동 흐름으로 인해 나타납니다. 일반적인 자연 대류의 응용 사례에는 환기되거나 완전히 밀폐된 전자 시스템이 있습니다. 일반적으로 이러한 장치에는 팬이나 송풍기가 없습니다. 대신, 가열된 구성요소의 열을 대류하고 외부 케이싱을 통해 전도하는 부력 구동 흐름에 의해 냉각됩니다.
봉인된 장치 내부의 자연 대류는 내부로 간주됩니다. 대형 엔클로저 또는 개방된 환경에 있는 장치 주위의 자연 대류는 외부로 간주됩니다. 이러한 두 가지 물리적 상태에 대한 해석 기술은 약간 다르며 아래의 관련 항목에 설명되어 있습니다.
자연 및 자유 대류 흐름은 대개 부력에 의해 지배됩니다. 이러한 흐름에서는 압력 그라데이션이 비교적 작기 때문에 주로 온도에 따라 달라지는 밀도 그라데이션에 의해 부력이 생성됩니다. 자연 대류 흐름은 층류 또는 난류일 수 있습니다.
기본 솔루션 전략
모형의 어디에든지 온도를 지정하는 것은 매우 중요합니다(알려진 열 하중 외에 추가로 지정). 이것은 적용된 온도 경계 조건일 수 있지만 필름 계수 또는 복사 경계 조건에 대한 참조 온도일 수도 있습니다. 모형에 어디에든 지정된 온도가 없으면 온도 솔루션이 수렴되지 않습니다.
부력 구동 해석에 대해 메쉬를 정의할 경우 압력 구동 흐름의 경우보다 영역의 내부(솔리드 경계에서 떨어진)에 더 많은 요소가 필요합니다. 그 이유는 작은 밀도 그라데이션을 정확히 표현하는 것이 구동 부력을 올바르게 계산하는 데 매우 중요하기 때문입니다.
메쉬 미세 조정 영역을 사용하여 중요한 영역에 메쉬를 집중합니다. 이 방법은 흐름 영역쪽으로 메쉬 밀도가 점점 덜 세밀해지도록 메쉬를 전환하는 편리한 방법입니다.
열 생성 경계 조건이 있는 모든 객체에 중간점 노드가 존재하도록 하는 것도 좋은 방법입니다. 이러한 방식은 열 싱크 핀 및 칩과 같은 얇은 객체에서 가장 중요합니다.
자연 대류 해석을 설정하는 몇 가지 기본 지침은 다음과 같습니다.
흐름 및 열 물리학이 결합되어 있으므로 흐름 및 열 전달을 모두 사용으로 설정해야 합니다. 흐름 솔루션이 열 솔루션에 따라 좌우될 경우 물리학이 결합되어 있다고 간주됩니다. 밀도가 온도에 따라 달라지므로 이러한 현상은 자연 대류에서 발생합니다. 온도가 변경되면 유체 밀도도 변경되고 흐름 솔루션에 영향을 미칩니다.
자연 대류 해석을 위해서는 재료 환경 대화상자에서 변수를 선택하여 특성 값이 변경될 수 있도록 해야 합니다.
기본적으로 초기 유체(공기) 특성 값은 해석에서 지정된 가장 낮은 온도 경계 조건을 기반으로 계산됩니다. 이는 자연 대류로 장치 냉각을 시뮬레이션하는 경우 바람직한 동작입니다.
자연 대류로 장치를 가열하는 상황에서는 환경 온도를 기준으로 유체(공기) 특성을 초기화하는 것이 좋습니다. 이렇게 하려면 플래그 관리자에서 다음 플래그를 사용으로 설정합니다.
액체에서 부력 구동 움직임이 발생하려면 큰 온도 그라데이션이 필요하므로, 흐름 및 열 해석을 실행하기 전에 먼저 유체를 통한 온도 그라데이션을 유도하여 전반적인 솔루션 시간을 단축할 수 있습니다. 이렇게 하려면 열 전용(흐름 없음) 10회 반복을 실행합니다. 열 그라데이션이 획득되면 흐름 및 열을 동시에 실행합니다.
외부 자연 대류 해석이 실행되는 동안 온도는 초기에 급격히 증가하게 되고(공기가 여전히 천천히 이동하므로) 이후에 흐름 필드가 전개되면서 온도가 다시 감소하여 고정됩니다. 자연 대류 해석의 경우 정상 상태 솔루션에 도달하기 위해서는 내부 흐름 문제보다 더 많은 반복이 필요합니다. 필요한 반복 수, 즉 총 솔루션 시간은 압력 구동 흐름 해석의 경우보다 자연 대류에서 더 증가합니다. 부력이 일반적으로 압력보다 훨씬 더 크기 때문에 솔루션 진행이 느립니다.
자연 대류는 기본적으로 과도 특성을 가지므로 직선형 수렴에 항상 도달할 수 있는 것이 아닙니다. 시스템의 심각한 변동 때문에 "완벽한" 수치 수렴이 진행되지 못하고, 해석 반복의 마지막 20%에서 중요한 매개변수(속도, 압력, 온도)의 변화율이 5% 이내가 되도록 추세가 안정화되어야 합니다.
솔루션이 느려지거나 발산될 경우 따라야 할 몇 가지 기술은 다음과 같습니다.
해석 디렉토리에 있는 ".sol" 파일을 검토하여 문제를 찾습니다.
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