Externe passive Kühlung

Die thermische Effizienz zahlreicher passiv gekühlter Geräte hängt von der Interaktion mit der Außenumgebung ab. Im Gegensatz zu aktiv gekühlten Geräten, bei denen ein interner Lüfter die Kühlung beherrscht, werden die passiv gekühlten Geräte durch die Bewegung der Luft außerhalb des Geräts gekühlt. Um diese Interaktion zu simulieren, wird um die gesamte Komponente ein Luftbereich konstruiert.

Der Luftbereich innerhalb des Geräts ist im Vergleich zu diesem externen Volumen relativ klein. In den meisten Fällen sollte er jedoch in das Modell einbezogen werden. Das Gerät kann geschlossen werden, sodass dieser Bereich vom äußeren Bereich getrennt ist, oder es kann belüftet werden, um Luft von der Umgebung in das Gerät strömen zu lassen.

Wie bei den anderen passiv gekühlten Konfigurationen ist die natürliche Konvektion der beherrschende Mechanismus der Wärmeübertragung. Die Wärmeableitung von den erwärmten Komponenten zum Gehäuse ist auch wichtig. Daher ist es empfehlenswert, sicherzustellen, dass die physischen Verbindungen modelliert werden, um geeignete Wärmeleitungsbahnen zu bieten.

Anwendungsbereiche

Projektor auf einem Tisch

An der Basis montierte ATR-Box

Fernsehgerät oder Monitor auf einem Tisch oder Ständer

Router, Festplatte, Wechselrichter auf einem Tisch oder einer Plattform

Von einer Stromleitung oder einem Masten abgehängtes Telekommunikationsmodul oder Transformator

Thermostat an einer Wand

Hängelampe

Modellierungsstrategie

Es gibt drei grundlegende Modellierungsstrategien je nach Platzierung des Geräts in seiner Umgebung: Tischmontage, Luftmontage (z. B. an einem Mast oder an einem Draht) und Wandmontage.

Tischmontage

Modellieren Sie ein Gerät, das auf einer horizontalen Fläche montiert ist. Ein Beispiel ist ein Router auf einem Tisch. (Dies wird manchmal auch als "Becherkonfiguration" bezeichnet.)
Nur die obere Fläche ist eine Öffnung. Die Luft strömt durch diese Öffnung ein und aus. Die Berührung des Geräts erfolgt mit der unteren Fläche des Gehäuses.
Nehmen Sie als Basis für die Gehäusebemaßungen den Durchschnitt der drei Bemaßungen des Geräts. Die Strömungsstabilität hängt von dem Seitenverhältnis des Gehäuses ab. Bei einem langen, schmalen Gerät wird dadurch sichergestellt, dass die Umgebung ein angemessenes Seitenverhältnis hat.
Die Seitenansicht ist links zu sehen und die Vorderansicht rechts:

Luftmontage

Modellieren Sie ein Gerät, das sich weit entfernt von physikalischen Grenzen, z. B. an einem Mast oder an einem Draht, befindet. Ein Beispiel ist ein Telekommunikationsmodul, das von einer Stromleitung abgehängt ist. (Dies wird manchmal auch als "Kaminkonfiguration" bezeichnet.)
Die oberen und unteren Flächen sind offen. Luft tritt unten ein und oben aus.
Konstruieren Sie ein Gehäuse um das Gerät, und zentrieren Sie es horizontal im Gehäuse. Die Größe des Gehäuses sollte auf der Größe des Geräts gemäß der Abbildung unten beruhen.
Positionieren Sie die Leuchte vertikal in Höhe eines Drittels der Gesamtlänge von der unteren Öffnung.
Die Seitenansicht ist links zu sehen und die Vorderansicht rechts:

Wandmontage

Konstruieren Sie ein Gehäuse um das Gerät, und zentrieren Sie es horizontal im Gehäuse. Die Größe des Gehäuses sollte auf der Größe des Geräts gemäß der Abbildung unten beruhen. Die gegenüberliegende Wand sollte das Dreifache der Bemaßung lotrecht zur Wand entfernt sein. (Dies wird als eine Variation der "Kaminkonfiguration" erachtet.)
Positionieren Sie das Gerät vertikal in Höhe eines Drittels der Gesamtlänge von der unteren Öffnung.
Die Seitenansicht ist links zu sehen und die Vorderansicht rechts:

Materialien

Da die natürliche Konvektion die Strömung steuert, müssen die Eigenschaften des Luftmaterials variieren können.
- Weisen Sie Luft zu, und legen Sie die Einstellung für "Umgebung" auf Variabel fest.
Bei äußerst schmalen abgegrenzten Flächen wird die Wärmeübertragung größtenteils anstatt von Konvektion von Wärmeleitung beeinflusst. Bei einigen Anwendungen besteht die Möglichkeit, die Wärmeübertragung genau simulieren zu können, ohne die Strömung berechnen zu müssen. Erstellen Sie einen benutzerdefinierten Festkörper, der über die gleichen Eigenschaften wie Luft verfügt. Weitere Informationen zur Verwendung des Materials "Luft unbewegt" ...
Wenn Wärmestrahlung einbezogen wird, geben Sie das Emissionsvermögen für das Fluid- und das Festkörpermaterial an. (Beachten Sie, dass das für das Fluid angegebene Emissionsvermögen nur die vom Fluid berührten Festkörper- und Wandflächen betrifft.)
Verwenden Sie Materialkomponenten für die Simulation von Objekten wie z. B. Trennblechkühlung, interne Lüfter, Leiterplatten, kompakte thermische Modelle und thermoelektrische Komponenten. Weitere Informationen zur Verwendung von Materialkomponenten ...

Randbedingungen

Tischmontage

Um eine Öffnung (in der Regel an der oberen Fläche) zu definieren, weisen Sie einen Statischen Überdruck = 0 zu.
Um der Öffnung eine Temperaturbeschränkung zuzuweisen, geben Sie einen Wärmeübergangskoeffizienten = 2 W/mK 2 und eine Referenztemperatur = Umgebungstemperatur an.
Lassen Sie die untere Fläche ohne Angaben, um eine isolierte Fläche zu simulieren. Die Ausnahme ist, wenn die untere Fläche eine konstante Temperatur hat oder wenn Wärme durch die Fläche zugeführt oder abgeführt wird. Geben Sie eine Temperatur, einen Wärmestrom oder einen Wärmeübergangskoeffizienten an.
Wenden Sie die Randbedingung Gesamtwärmeerzeugung auf die Komponenten an, die Wärme abgeben.

Luft- und Wandmontage

Um Öffnungen oben und unten zu definieren, weisen Sie beiden Flächen einen Statischen Überdruck = 0 zu
Untere Fläche (Einlass): Statische Temperatur = Umgebungstemperatur
Wenden Sie die Randbedingung Gesamtwärmeerzeugung auf die Komponenten an, die Wärme abgeben.

Netz

Eine grundlegende Richtlinie für ein qualitativ hochwertiges Analysemodell ist, dass die Netzverteilung ausreicht, um die Strömungs- und Temperaturgradienten effizient zu lösen. In Bereichen, in denen die Strömung zirkuliert oder große Gradienten aufweist (z. B. Strudel, Wirbel und Trennungsbereiche), ist ein feineres Netz erforderlich.

Bei den meisten Modellen können Sie die automatische Größenbestimmung für die Netzverteilung verwenden. Möglicherweise müssen Sie lokal das Netz auf geometrischen Objekten, die sehr detailliert sind, verfeinern. Weitere Informationen über die automatische Netzgrößenbestimmung und Modellvorbereitung...

In einigen Fällen kann es erforderlich sein, die Mindest-Spaltverfeinerungslänge anzupassen, um ihre Auswirkung auf die Netzanzahl zu reduzieren.

So verfeinern Sie das Netz lokal in Strömungsbereichen mit hohem Gradienten

Nehmen Sie eine Anpassung der Netzverteilung auf geometrischen Volumen und Flächen vor.
Wenn keine entsprechenden geometrischen Elemente in einem bestimmten Bereich vorhanden sind, erstellen Sie einen Netzverfeinerungsbereich:
- Fügen Sie ein oder mehrere Volumen im CAD-Modell hinzu.
- Erstellen Sie einen Verfeinerungsbereich aus der Vernetzungsaufgabe.

Wird ausgeführt

Strömung = Ein
Wärmeübertragung = Ein
Wenn die Komponententemperaturen relativ hoch sind, Strahlung = An (Strahlung hat häufig eine stabilisierende Wirkung. In manchen Modellen führt die Vernachlässigung der Strahlungsauswirkungen zu bis zu 20 % höheren Temperaturen als die tatsächlichen Werte.) Es wird deshalb empfohlen, 200 Iterationen ohne Strahlung auszuführen, die Strahlung anschließend zu aktivieren und fortzufahren. Dies verkürzt die Analysezeit und gibt einen Einblick in die Auswirkungen von Strahlung. Stellen Sie sicher, dass Sie das geeignete Emissionsvermögen-Material festlegen. Weitere Informationen über die Modellierung von Strahlung.
Geben Sie einen Schwerkraftvektor an.
Turbulenz: Die Strömung in diesen Anwendungen ist in der Regel laminar. Klicken Sie im Dialogfeld "Einstellungen" auf die Schaltfläche "Turbulenz", und wählen Sie Laminar aus. Wenn die Lösung innerhalb der ersten 100 Iterationen divergiert, wählen Sie das K-Epsilon-Modell aus und starten die Analyse erneut ab Iteration 0.

Ergebnisextraktion

Strömungsverteilung

Komponententemperaturen

Verwenden Sie Ergebnisebenen und Iso-Flächen zum Visualisieren der Strömung in und um die Vorrichtung.
Verwenden Sie Partikelspuren zur Visualisierung der Luftbewegung.
Zeigen Sie die Temperatur direkt auf den Teilen an, und verwenden Sie Ergebnisteile, um quantitative Temperaturdaten zu extrahieren.
Verwenden Sie das Entscheidungscenter zum Vergleichen von Ergebnissen aus mehreren Szenarios. Speichern Sie Zusammenfassungsbilder, erstellen Sie Zusammenfassungselemente, und überprüfen Sie die Ergebnisse in der Tabelle Kritische Werte.

Für allgemeinere Informationen verwenden Sie die umfangreiche Sammlung von Werkzeugen zur Ergebnisvisualisierung, um Strömungs- und Wärmeergebnisse zu extrahieren.

Fehlerbeseitigung

Luft- und Wandmontage

Im Idealfall sollte die Strömung durch die untere Fläche des Bereichs eintreten, das Gerät umströmen und in einer Fahne beschleunigen, wie dies links abgebildet ist. Die Strömung sollte nicht von der oberen Öffnung eintreten, wie dies rechts abgebildet ist:

Wenn die Strömung von oben eintritt, gibt es zwei empfohlene Korrekturmaßnahmen:

Wenden Sie eine Wärmeübergangskoeffizienten-Randbedingung auf die obere Fläche an. Geben Sie einen Wärmeübergangskoeffizienten = 2 W/mK 2 und eine Referenztemperatur = Umgebungstemperatur + 1 Grad an.
Verfeinern Sie das Netz ober der Lampe. Eine zweckmäßige Methode ist, einen Netzverfeinerungsbereich direkt über der Lampe zu erstellen. Durch die Konzentration auf das Netz in diesem Bereich werden die Strömungsgradienten genauer berechnet.
Reduzieren Sie die lokale Dehnung von 1.1 auf 1.08. Wenn das Problem weiterhin besteht, reduzieren Sie sie auf 1.05:
Klicken Sie in der Task "Netz" mit der rechten Maustaste, und wählen Sie Bearbeiten.
Klicken Sie im Schnellbearbeitungs-Dialogfeld "Netz" auf die Schaltfläche Erweitert.
Ändern Sie den Wert im Feld Lokale Dehnung.

Anmerkung: Wenn eine oder beide dieser Änderungen an einem Szenario vorgenommen werden, wenden Sie dieselbe Änderung auf alle Szenarios an. Dies gewährleistet die Konsistenz in der gesamten Designstudie.

Tischmontage

Im Idealfall sollte die Strömung von den Seiten der Öffnung eintreten und durch die Mitte (durch Bildung einer Fahne vom Gerät weg) austreten, wie dies links gezeigt wird. Die Strömung sollte nicht nur an einer Seite eintreten und in der Nähe der anderen Seite austreten, wie dies rechts gezeigt wird:

Wenn die Strömung an einer Seite eintritt und an der anderen austritt, wird empfohlen, das Netz über der Lampe zu verfeinern. Eine zweckmäßige Methode ist, einen Netzverfeinerungsbereich direkt über dem Gerät zu erstellen. Die Strömungsgradienten werden genauer berechnet, indem das Netz in diesem Bereich fokussiert wird.

Folgendes vermeiden

Wenden Sie keinen Wärmeübergangskoeffizienten auf die Außenflächen des Geräts an. Die konvektive Wärmeübertragung vom Gerät an die Umgebungsluft wird berechnet, da das Umgebungsluftvolumen modelliert ist.
Wenn das Gerät belüftet ist, wenden Sie keine Druckbedingungen an die Lüftungsöffnungen an. Diese Flächen sind analysemodellintern, weshalb eine angewendete Druckbedingung nicht erforderlich ist. Vergewissern Sie sich jedoch, (nach Bedarf) Druck auf die äußeren Flächen des Luftvolumens anzuwenden.
Diese Methode kann rechenintensiv sein, insbesondere wenn viele Details im Gerät eingeschlossen sind. Stellen Sie sicher, unnötige Details zu entfernen, um eine effiziente Modellierung zu gewährleisten.