COMSOL案例零基礎(chǔ)講解：建模+計(jì)算+分析一網(wǎng)打盡！

電子元件在日常生活中隨處可見。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子元件的集成度越來越高，人們對(duì)電子元件的性能要求也越來越高，為了達(dá)到這些要求，電子元件所需要的功率就會(huì)相應(yīng)地增大。在電子元件工作時(shí)，一定會(huì)產(chǎn)生熱量，這些熱量如果不能及時(shí)地散發(fā)出去，就會(huì)在電子元件附近造成較高的溫度區(qū)域，當(dāng)電子元件處在高溫下，其性能就會(huì)下降，而且如果熱量長(zhǎng)時(shí)間得不到散去，最終將會(huì)導(dǎo)致電子元件由于高溫影響而燒毀。

下面還是通過案例分析，進(jìn)一步熟悉COMSOL操作。

首先對(duì)電子元件機(jī)箱長(zhǎng)方體區(qū)域附近散熱進(jìn)行數(shù)值分析，再以電子元件為熱源，分別對(duì)正常狀態(tài)和滿載狀態(tài)進(jìn)行仿真分析。

建模與仿真

整個(gè)計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)方體區(qū)域，整體模型尺寸為80×3×15 (mm)，矩形區(qū)域中設(shè)置有散熱器，下面與顯卡電子元件連接，右邊為進(jìn)風(fēng)口，左邊為出風(fēng)口。

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控制方程

在COMSOL Multiphysics 中設(shè)置多物理場(chǎng)耦合模塊非等溫流動(dòng)來進(jìn)行耦合計(jì)算，假設(shè)傳遞過程是穩(wěn)態(tài)，空氣流動(dòng)狀態(tài)為層流，空氣、散熱器與電子元件之間的熱傳遞為流體和固體傳熱。

（1）連續(xù)性方程又稱質(zhì)量方程

u，v，w—流體在 x，y，z 方向上的速度分量，m/s。

（2）動(dòng)量方程

Ui—i 方向上的速度分量，m/s；xi—坐標(biāo)；p—流體密度，kg/m3；μ—?jiǎng)恿︷ざ龋?kg/m·s。

（3）能量方程

T—溫度，K；α—流體熱擴(kuò)散率， m2/s。

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邊界條件與初始值

層流模塊中進(jìn)風(fēng)口邊界條件設(shè)為速度條件，速度設(shè)置為 10，15，20，25，30，35 cm/s 六個(gè)梯度，出風(fēng)口邊界條件設(shè)為壓力條件，出口相對(duì)壓力為 0 MPa，其他壁條件均設(shè)為無(wú)滑移壁條件；傳熱模塊中長(zhǎng)方體區(qū)域設(shè)置環(huán)境溫度為 20 ℃，進(jìn)風(fēng)口溫度為環(huán)境溫度 20 ℃，其他壁面設(shè)置為熱絕緣邊界，熱源為電子元件，設(shè)置其正常狀態(tài)發(fā)熱功率為 1 W，滿載狀態(tài)下發(fā)熱功率為 2 W。

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材料屬性

長(zhǎng)方體散熱計(jì)算區(qū)域材料設(shè)置為空氣，電子元件材料設(shè)置為硅，散熱器材料分別設(shè)置兩種材料對(duì)比計(jì)算，第 1 次仿真計(jì)算時(shí)設(shè)置散熱器材料為銅，保存此次計(jì)算結(jié)果，第 2 次仿真計(jì)算時(shí)設(shè)置散熱器材料為鋁，其他計(jì)算域材料不變，同樣保存此次結(jié)果。材料參數(shù)均可在COMSOL Multiphysics 中材料庫(kù)進(jìn)行添加，其材料屬性如表 1 所示。

表 1 材料屬性

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網(wǎng)格劃分

在 COMSOL Multiphysics 中利用其自帶的網(wǎng)格模塊對(duì)整體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型選擇四面體網(wǎng)格，單元大小選擇常規(guī)，使用網(wǎng)格貢獻(xiàn)選擇流體模型。如圖 2 所示為散熱模型網(wǎng)格圖。

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求解

研究采用穩(wěn)態(tài)求解，求解器選擇 PARDISO求解器，求解容差設(shè)置為 0.001，求解結(jié)果包括速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)。采用參數(shù)化求解來對(duì)比不同參數(shù)下的結(jié)果，對(duì)進(jìn)風(fēng)口速度進(jìn)行參數(shù)化求解，可在一次計(jì)算中得到不同進(jìn)風(fēng)口速度下的計(jì)算結(jié)果，最后穩(wěn)態(tài)求解所有物理場(chǎng)進(jìn)行全耦合計(jì)算得到結(jié)果。

表 2 長(zhǎng)方體區(qū)域最高溫度

結(jié)論

運(yùn)用COMSOL Multiphysics中CFD模塊中的非等溫模塊對(duì)長(zhǎng)方體機(jī)箱中電子元件散熱進(jìn)行數(shù)值分析，通過耦合層流和傳熱模塊進(jìn)行仿真分析，電子元件作為恒定熱源，空氣作為冷卻介質(zhì)，仿真模擬長(zhǎng)方體機(jī)箱中的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，仿真分析不同的入口速度對(duì)機(jī)箱中散熱的影響，以及不同材料的散熱器對(duì)其散熱的影響。使用穩(wěn)態(tài)求解器得到了長(zhǎng)方體機(jī)箱中等溫線分布以及速度場(chǎng)分布。

以上就是案例模擬的重點(diǎn)部分啦，你學(xué)會(huì)了嗎？

本文來源公眾號(hào)：comsol仿真交流