借助仿真 App 优化散热器的设计

Caty Fairclough 2015年 6月 4日

散热器是一种通过驱散热量来对装置进行冷却的部件。它既可用于被动散热,也可用在主动冷却系统(例如与风扇结合)中。当您在对散热器的设计进行优化时,可以求助于仿真。假如可以通过将模型嵌入 App 来简化设计流程,您会这么做吗?答案是肯定的——我们将利用“翅片式散热器”演示 App 来向您介绍如何开始着手设计您自己的仿真 App。

设计方案

设想您供职于一家散热器制造企业。通过使用基于几何结构与流动性的著名相关性,您可以快速评估散热器的冷却性能。然而,这些相关性只适用于平整表面、圆柱及球体等简单的几何构型。您通常可以使用这种相关性来获取真实几何结构的热力学特性,但结果往往并不精确。如果您想获取更为精确的结果,仿真能帮您实现这一点。

作为仿真专业人员,您的工作一定包括对不同的散热器设计进行测试。设计的每一次修改,都意味着您需要运行新的仿真才能对比结果,这有可能会耽误制造进度。“App 开发器”正是您最需要的,它开创性地将模型转化为了 App,让其他用户 可以自由地重复运行仿真,以对简单的参数调整进行测试。

通过开发 App,您便能构建一个科学精准的仿真环境,让不具备仿真知识背景的同事也能轻松上手,自行测试不同的设计迭代。同时您还能完全决定用户可输入的参数,以及可获取的结果。我们即将展示的演示 App 具有一项实用的功能,那就是一旦结果计算完毕,仿真报告便会以电子邮件的形式发送给 App 用户。

借助 COMSOL Multiphysics 仿真软件,您可以将各种富有创造性的设计加入到您的 App 中。例如,您可以改变从背景图像到整个布局的一切元素,全面掌控 App 的外观。我们将通过翅片式散热器演示 App,向您介绍一些简单易行的 App 功能,并指导您自己动手实现。

借助仿真 App 改进散热器的设计流程

对散热器的设计而言,最重要的考虑因素就是散热器在给定配置下的散热性能,其中包括流动属性和几何布局等。散热性能的一个基准测试是将散热器置于装有保温墙的矩形通道内,然后测量通道入口与出口处的温度与压力,同时还要对散热基板维持某一特定温度所需的功率值进行测量。最后,基准测试结果会显示散热器耗散的热量值以及通道的压力损耗。

散热器演示 App 使用了分析基准试验的仿真模型,其用户界面(UI)的操作方式比传统的仿真环境更简单。通过简化的用户界面,App 用户可以观察到设计元素是如何影响散热器功能的。举例来说,当在设计中加入更多 翅片时,他们将看到耗散热随之增加;但如果加入的翅片过多,反而会阻碍通道内的流动,不仅没有显著改善冷却能力,还会造成较大的压力损失——换句话说,这个散热器的设计不合格。App 用户可以通过微小的参数改变来获取信息,进而找出满足设计标准的最佳翅片数量。

关于底层模型

您可能在其他教程中也见过此演示 App 中的散热器模型。它由铝制成,并在一个两端分别带有进气口和排气口的空气通道中进行建模。其参数化几何如图所示:

散热器和翅片的几何结构的图片。
演示 App 中使用的底层散热器模型的几何结构。

求解该模型所需的方程和边界条件将在仿真 App 的后台中运行。App 用户可以通过更改参数来更新仿真,而无需考虑底层方程。通过这种方法,那些不具备专业知识的用户也可以便捷地设置和运行仿真。

仿真 App 包含了哪些内容

将仿真“App 化”时,我们需要尽可能地使其简单易用,让那些没有仿真专业知识的用户也可以对适用于不同应用场景的设计与操作条件进行测试。借助“App 开发器”,您可以完全根据自己的需求来配置用户界面。在这篇博客文章的演示 App 中,用户可以更改以下设计参数:

  • 几何:
    • 散热器基板的宽度、深度及厚度
    • 翅片数量
    • 翅片高度及厚度
  • 操作条件:
    • 进气口速度和温度
    • 热源温度

我们已经为演示 App 编写了程序,使其能够基于用户输入对几何进行更新,从而将显示的模型更新到最新版本,以反映新设计。温度和速度场绘图见右侧的图形窗口,耗散功率和压力损耗的结果以数值形式呈现在 App 左侧的结果 栏中。App 用户可以将结果下载为仿真报告,也可以在结果计算完毕后让 App 通过电子邮件自动发送仿真报告。

用于优化散热器设计的仿真 App 的用户界面。
屏幕截图展示了翅片式散热器演示 App。

只需简单地更改输入参数,App 用户便能直观地观察到翅片数量变化是如何影响耗散功率和压力损耗的。即使不具备仿真专业背景,App 用户同样可以利用结果来创建理想的散热器设计。


两张图片对比了改变仿真 App 中翅片数量后散热器性能的变化。

翅片数量对耗散功率和压力损耗的影响。

增加翅片的数量可提升散热器的冷却能力。虽然散热器具备高效的冷却性能是设计者们喜闻乐见的,然而翅片数量的增加会造成更多的压力损耗。为了找到最佳设计,用户可以借助 App 便捷地对多种散热器配置进行测试。

易用性是我们在设计所有演示 App 用户界面时考虑的首要因素。如果您想了解 App 创建背后的流程,建议您打开散热器 App 文件

参与仿真带来的革新

感谢有“App 开发器”的存在,让我们在制作自己的 App 时拥有无限可能。请将本文中的演示 App 作为基石,开发可满足您自身及企业需求的仿真 App。创建出理想的 App 之后,您可以通过 COMSOL Server™ 与同事、客户、老师或同学共享此成果。

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