案例利用一个小的系统级模型演示Icepak的参数化及优化设计功能。

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1 问题描述

案例涉及的系统级模型由PCB上的一系列IC芯片组成，其中风扇用于散热装置的强制对流冷却，风扇性能采用非线性风机曲线来定义。芯片上安装有一个翅片挤压散热片对其提供散热。系统出口包括一个穿孔薄格栅。

案例利用Icepak的参数化功能对风扇的安装位置进行优化设计。

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创建新工程

• 启动ANSYS Icepak，弹出如下图所示对话框
  

• 点击New按钮打开新建工程对话框，如下图所示，指定工作路径及工程名称，点击按钮Create按钮创建工程

注：默认情况下Icepak创建了一个边长1m的立方体计算区域。

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创建模型

3.1 修改计算域尺寸

• 鼠标双击模型树节点Model → Cabinet，弹出属性设置对话框，进入Geometry标签页，如下图所示，指定计算域尺寸，点击按钮Done完成计算域修改

3.2 创建风扇

• 点击工具栏按钮Create fans创建对象fan.1，双击模型树节点fan.1弹出设置对话框

• 进入Geometry标签页，如下图所示设置对象的几何参数，设置zC为$zc，点击Update按钮

• 弹出参数值设置对话框，如下图所示，设置zc变量的初始值为0.1，点击按钮Done完成参数设置

• 进入Properties标签页，设置Fan type为intake，激活选项Non-linear，选择Non-linear curve下的Edit → Text edit按钮打开对话框

• 如下图所示，对话框中设置Volume flow units为cfm，设置Pressure units为in_water，并在对话框中设置P-Q数据，注意第一列为流量，第二列为压力，中间以空格分隔，点击Accept按钮关闭对话框

• 在属性标签页中可通过点击按钮Edit → Graph editor查看风扇的pq曲线

如下图所示为显示的风扇性能曲线。点击Done按钮关闭对话框

• 进入Swirl标签页，设置RPM为4000

此时计算模型如图所示。

3.3 创建格栅

• 点击工具栏按钮Create grille创建壁面对象grille.1

• 鼠标双击模型树节点grille.1弹出设置对话框，如下图所示，进入Geometry标签页，设置几何参数

• 进入Properties标签页，设置Pressure loss specification为Loss coefficient，设Free area ratio为0.5，指定Resistance type为Perforated thin vent

• 其他参数保持默认设置，点击按钮Done关闭对话框

计算模型如图所示。

3.4 创建壁面

• 点击工具栏按钮Create walls创建壁面对象wall.1

• 鼠标双击模型树节点wall.1弹出设置对话框，如下图所示，进入Geometry标签页，设置几何参数

• 进入Properties标签页，设置Wall thickness为0.01 m

• 指定Solid material为FR-4，选择External conditions为Heat flux

完成计算模型如图所示。

3.5 创建芯片

• 点击工具栏按钮Create blocks创建壁面对象block.1

• 鼠标双击模型树节点block.1弹出设置对话框，如下图所示，进入Geometry标签页，设置几何参数

• 进入Properties标签页，激活选项Individual sides，点击按钮Edit弹出设置对话框

• 选中选项Min Y，激活选项Thermal properties及Resitance，设置Conductance为0.005 W/C，点击按钮Accept激活壁面接触热阻

• 设置Total power为5 W，点击Done按钮关闭对话框

• 鼠标右键选择模型树节点block.1，点击弹出菜单项Copy弹出对象复制对话框

• 如下图所示设置对象复制参数，点击Apply按钮完成几何复制

计算模型如图所示。

3.6 创建网络块

• 点击工具栏按钮Create blocks创建壁面对象block.2

• 鼠标双击模型树节点block.2弹出设置对话框，如下图所示，进入Geometry标签页，设置几何参数

• 进入Properties标签页，设置Block type为Network，并指定Network type为Star network，设置元件参数，如下图所示，点击Done按钮关闭对话框

• 鼠标右键选择模型树节点block.2，点击弹出菜单项Copy弹出对象复制对话框

• 如下图所示复制几何对象

3.7 创建散热片

• 点击工具栏按钮Create Heat sink创建壁面对象heatsink.1

• 鼠标双击模型树节点heatsink.1弹出设置对话框，如下图所示，进入Geometry标签页，设置几何参数

• 进入Properties标签页，如下图所示设置对象属性

• 进入Flow/thermal data标签页，设置Base material为Cu-Pure

• 进入interface标签页，点击Fin bounding右侧按钮Edit，弹出热阻设置对话框，设置Effective thickness为0.0002 m，点击Done按钮关闭对话框

最终完成的计算模型如图所示。

3.8 创建block

• 点击工具栏按钮Create blocks创建壁面对象block.3

• 设置Type为hollow，几何参数如下图所示，点击Apply创建对象

最终计算模型如图所示。

3.9 创建装配体

创建装配体以便于为不同的部件指定网格尺寸。

• 如下图所示，选择几何对象，点击鼠标右键，选择弹出菜单项Create → Assembly创建装配体，并修改名称为Heatsink-packages-asy

• 鼠标右键点击模型树节点Model，选择弹出菜单项Create object → Assembly创建装配体，并修改名称为Fan-asy

注：创建装配体的目的是为后面网格划分做准备。

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生成网格

• 鼠标双击模型树节点Heatsink-packages-asy，弹出设置对话框，激活选项Mesh separately，并设置Slack参数，如下图所示

• 鼠标双击模型树节点Fan-asy，弹出设置对话框，激活选项Mesh separately，并设置Slack参数，如下图所示

• 击菜单Model → Generate mesh弹出网格控制对话框

• 如下图所示，设置网格参数，点击按钮Generate…生成计算网格

查看计算网格，如下图所示。

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设置计算

5.1 定义优化参数

• 选择菜单项Solve → Define trails弹出优化设置对话框，Setup标签页中激活选项Parametric trials

• 进入Design variables标签页，如下图所示，设置Discrete value为0.1 0.165

注：这里只是比较zc为0.1m及0.165m两种条件，其实也可以按优化区域进行设置

• 进入Trials标签页，如下图所示，查看优化变量分布，点击Done按钮关闭对话框

5.2 创建监测点

• 如下图所示，将模型树节点grilles.1及block.1拖拽至Points中

• 鼠标右键点击模型树节点Points > grille.1，选择弹出菜单项Edit弹出设置对话框

• 如下图所示设置监测变量为Velocity

• 相同方式设置监测block.1的Temperature

5.3 定义求解参数

• 鼠标双击模型树节点Basic settings弹出设置对话框

• 设置参数Number of iterations为200

• 鼠标右键选择模型树节点Problem setup，点击弹出菜单项Problem setup wizard打开设置向导

• 采用默认设置，计算考虑速度、压力与温度

• 激活选项Flow has inlet/outlet(force convection)

• 激活选项Set flow regime to turbulent采用湍流计算

• 激活湍流模型Zero equation

• 激活选项Include heat transfer due to radiation考虑辐射计算

• 使用S2S辐射模型

• 不考虑太阳辐射

• 采用稳态计算

• 采用默认设置，点击Done按钮关闭对话框

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计算

• 点击菜单项Solve → Run solution弹出设置对话框

• 进入对话框的Results标签页，激活选项Write overview of results when finished，点击按钮Dismiss关闭对话框

• 点击菜单项Solve → Run optimization弹出设置对话框

• 如下图所示对话框中，点击Run按钮开始计算

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计算结果

1、各部件温度

• trial001（z=0.1 m)各部件温度统计

• trial001（z=0.165 m)各部件温度统计

2、温度分布

• trial001（z=0.1 m)各部件温度云图

• trial001（z=0.165 m)各部件温度云图

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道