1.6 某LED自然冷卻模擬實(shí)例

1.6.1 實(shí)例介紹

某LED燈具，包括散熱器、透鏡、鋁基板、蓋等幾何體，如圖1-48所示。LED燈具進(jìn)行自然冷卻模擬計(jì)算，需要考慮自然對(duì)流、熱傳導(dǎo)、輻射換熱計(jì)算。由于LED燈具的幾何模型均為異形幾何體，因此所有的CAD體均通過ANSYS Icepak的CAD接口導(dǎo)入建立熱仿真模型。

1.6.2 建立熱仿真模型

1．項(xiàng)目命名

啟動(dòng)ANSYS Workbench，單擊保存，在彈出的面板中輸入LED，單擊保存。

2．導(dǎo)入模型

雙擊工具箱內(nèi)的Geometry→Icepak；在項(xiàng)目視圖區(qū)域中出現(xiàn)DM、Icepak單元。

3．CAD導(dǎo)入

雙擊項(xiàng)目視圖區(qū)域中的Geometry單元，打開DM軟件；單擊File→Import External Geometry File，在彈出的面板中瀏覽選擇在線資源中的LED. stp；單擊Generate，完成模型的導(dǎo)入，如圖1-49及圖1-50所示。

4．CAD模型轉(zhuǎn)化

由于本模型中大部分幾何體均為異形幾何體，因此可使用DM的Simplify工具直接進(jìn)行轉(zhuǎn)化。如圖1-51所示，單擊Tool（略）→Electronics→Simplify，出現(xiàn)如圖1-52所示的Simplify轉(zhuǎn)化面板。

在Details of Simplify2面板中，單擊Simplification Type右側(cè)選項(xiàng)，選擇Level 3；在Select Bodies中，選擇圖形區(qū)域的散熱器，單擊Apply；在Facet Quality中，單擊右側(cè)下拉菜單，選擇Very Fine；單擊Generate，完成CAD模型的轉(zhuǎn)化。

依次對(duì)LED燈具的其他模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，Simplify轉(zhuǎn)化面板的選擇和散熱器的轉(zhuǎn)化面板完全相同；轉(zhuǎn)化完成后，關(guān)閉DM（注意：也可以同時(shí)選擇多個(gè)器件直接進(jìn)行Simplify）。

5．模型導(dǎo)入Icepak

在ANSYS Workbench平臺(tái)下，拖動(dòng)DM至Icepak單元，WB會(huì)自動(dòng)將DM轉(zhuǎn)化的模型導(dǎo)入ANSYS Icepak中，如圖1-53所示。

雙擊Icepak單元的Setup，打開Icepak軟件，出現(xiàn)如圖1-54所示的界面，單擊Save，保存導(dǎo)入的熱模型。

6．修改計(jì)算區(qū)域

雙擊模型樹下的Cabinet，如圖1-55所示，輸入Cabinet的幾何尺寸，擴(kuò)大Cabinet計(jì)算區(qū)域的空間，以模擬空氣的自然對(duì)流；單擊Properties，設(shè)置Cabinet的6個(gè)面為Opening邊界。

7．器件命名及材料輸入

雙擊模型樹下的各個(gè)Block，打開Block的編輯窗口，在Info面板中，對(duì)不同器件進(jìn)行命名（注意，如果CAD模型中本身包含器件獨(dú)立的名稱，導(dǎo)入后ANSYS Icepak會(huì)按照器件各自的名稱進(jìn)行命名），在各自的屬性面板中，選擇相應(yīng)的材料，如表1-4所示。

8．鋁基板材料輸入

雙擊lvbase（鋁基板），打開其編輯窗口，在屬性面板中，單擊Solid material的下拉菜單，單擊Create material，創(chuàng)建新材料。在打開的面板中，在Conductivity中輸入2.0，單擊Done，完成鋁基板新材料的創(chuàng)建，如圖1-56所示。

由于此CAD模型中無LED燈珠的模型，因此本案例直接將熱耗加載給鋁基板。在鋁基板的屬性面板中，輸入Total Power為5W。

1.6.3 網(wǎng)格劃分

（1）選擇模型樹下所有器件，單擊右鍵，在彈出的面板中選擇Create→Assembly，如圖1-57所示。建立Assembly，用于非連續(xù)性網(wǎng)格的劃分。

（2）雙擊打開Assemblies編輯窗口，如圖1-58所示，選擇Mesh separately，輸入Assemblies各個(gè)面的Slack數(shù)值為5（表示將Assemblies包含的區(qū)域向6個(gè)方向擴(kuò)展5mm空間）；選擇Max element size下的X、Y、Z，分別輸入3.0、5.0、3.0，表示此區(qū)域內(nèi)的最大網(wǎng)格尺寸；選擇Global下的相應(yīng)選項(xiàng)。

選擇Set uniform mesh params，可用于改善Mesher-HD的網(wǎng)格質(zhì)量，減少網(wǎng)格的個(gè)數(shù)。

單擊Assemblies面板的Multi-level面板，選擇Allow multi-level meshing，表示劃分多級(jí)網(wǎng)格；單擊右側(cè)的Edit levels，在打開的面板中，對(duì)不同的模型輸入不同的Max levels（根據(jù)模型的最小尺寸決定級(jí)數(shù)的大小），如圖1-59所示。

（3）單擊快捷工具欄中劃分網(wǎng)格，打開劃分網(wǎng)格面板；如圖1-60所示輸入相應(yīng)值，單擊Generate, ANSYS Icepak會(huì)自動(dòng)劃分網(wǎng)格。整個(gè)模型的網(wǎng)格數(shù)為396233個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為387504個(gè)。

（4）網(wǎng)格檢查：選擇模型樹下的不同器件，單擊網(wǎng)格劃分面板的Display，選擇Surface→Solid fill，可檢查ANSYS Icepak劃分的網(wǎng)格是否貼體，如果不貼體，需要修改網(wǎng)格的設(shè)置（主要是修改多級(jí)網(wǎng)格的級(jí)數(shù)和非連續(xù)性網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的最大網(wǎng)格尺寸），重新劃分網(wǎng)格。

從圖1-61中可以看出，ANSYS Icepak劃分的網(wǎng)格完全貼體幾何本身的模型。從圖1-62中可以看出，整體模型使用了非連續(xù)性網(wǎng)格及多級(jí)網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量良好，而在非連續(xù)性網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)部，不同的幾何模型使用了不同級(jí)數(shù)的多級(jí)網(wǎng)格。

（5）網(wǎng)格質(zhì)量準(zhǔn)則檢查：單擊網(wǎng)格劃分面板的Quality，依次單擊Face alignment（面對(duì)齊率）、Volume（網(wǎng)格體積）、Skewness（網(wǎng)格的偏斜度）等，在Icepak的窗口中將出現(xiàn)相應(yīng)準(zhǔn)則的具體數(shù)值。如圖1-63所示，通過檢查，ANSYS Icepak劃分的網(wǎng)格質(zhì)量均滿足相應(yīng)的質(zhì)量準(zhǔn)則。

1.6.4 求解計(jì)算設(shè)置

（1）Basic parameters（基本參數(shù)設(shè)置）：雙擊左上角區(qū)域的Basic parameters，打開其面板，單擊Radiation（輻射換熱）下的Discrete ordinates radiation model，單擊右側(cè)的Options，如圖1-64所示輸入相應(yīng)參數(shù)。選擇Turbulent（湍流模型），默認(rèn)使用Zero equation（零方程模型）。選擇Gravity vector，保持默認(rèn)設(shè)置。

單擊Basic parameters面板的Defaults，設(shè)置環(huán)境溫度，默認(rèn)為20（℃）；單擊Transient setup，在Solution initialization中輸入Y velocity為0.15（m/s），表示設(shè)置求解初始化參數(shù)，其他保持默認(rèn)設(shè)置，如圖1-65所示。

（2）Solution settings（求解設(shè)置）：雙擊Basic settings，打開面板，如圖1-66所示；雙擊Par-allel settings，單擊選擇Parallel，在#processors中輸入2，表示使用雙核進(jìn)行并行計(jì)算（需要AN-SYS HPC支持）。

（3）選擇模型樹下的lvbase（鋁基板），直接拖曳到模型樹上側(cè)區(qū)域Points內(nèi)，ANSYS Icepak會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建鋁基板中心位置的監(jiān)控點(diǎn)，監(jiān)控變量為溫度，如圖1-67所示。

（4）單擊快捷工具欄中的計(jì)算，保持默認(rèn)的設(shè)置，進(jìn)行求解計(jì)算。ANSYS Icepak會(huì)自動(dòng)彈出Fluent求解器、殘差曲線及溫度監(jiān)控點(diǎn)曲線。隨著求解計(jì)算的進(jìn)行，殘差曲線接近設(shè)置的殘差標(biāo)準(zhǔn)，溫度監(jiān)控點(diǎn)曲線的數(shù)值逐漸平穩(wěn)，如圖1-68所示。

1.6.5 后處理顯示

（1）單擊Plane cut，打開切面的后處理面板，如圖1-69所示進(jìn)行設(shè)置，顯示切面的溫度分布：在Set position中選擇Z plane through center（表示切過Z 方向中心位置的面），選擇Show contours，單擊其右側(cè)的Parameters，打開參數(shù)控制面板，在Number中輸入120，在Calcu-lated中單擊下拉菜單，選擇This object，其他選項(xiàng)保持默認(rèn)設(shè)置，單擊Done，可顯示此切面的溫度云圖分布。

同理，取消Show contours（云圖顯示），選擇Show vectors，單擊Parameters，打開Plane cut vectors，單擊選擇Uniform，輸入20000，在Arrow style中單擊下拉菜單，選擇3D arrow heads，分別單擊Apply、Done，如圖1-70所示，可顯示切面的速度矢量圖。

切面的溫度云圖及速度矢量圖如圖1-71所示。

（2）單擊快捷工具欄中的Object face（體后處理），選擇Object face面板下的Show con-tours，在Object中選擇object assembly.1，單擊右側(cè)的Parameters，在Calculated中選擇This ob-ject，在Number中輸入120，其他保持默認(rèn)的設(shè)置，單擊Done，如圖1-72所示，也可以單獨(dú)選擇某個(gè)器件，然后進(jìn)行其溫度的后處理顯示。

單擊快捷工具欄中的探針，在LED燈具的溫度云圖上進(jìn)行單擊，可顯示不同區(qū)域的具體溫度數(shù)值，如圖1-73所示。

（3）打開Object face的編輯面板，單擊Object的下拉菜單，選擇object cabinet_default_side_miny；選擇Show particle traces，單擊Parameters；在Object face particles面板Color by中選擇Scalar variable，在Color variable中選擇Speed（表示通過變量速度的大小進(jìn)行跡線的顯示），在Unifrom中輸入200，在Calculated中選擇This object，單擊Apply，可顯示200個(gè)失重粒子的跡線分布，如圖1-74所示。

當(dāng)完成后處理顯示以后，關(guān)閉ANSYS Icepak，進(jìn)入WB平臺(tái)，可以發(fā)現(xiàn)，ANSYS Icepak單元中的Setup和Solution后均顯示“√”，如圖1-75所示；表示求解計(jì)算完成，單擊Save保存，關(guān)閉WB。