У компании Autodesk есть целая линейка программ, предназначенных для проведения инженерных расчётов. В этом тексте обратим внимание на Autodesk CFD – он предназначен для решения задач взаимодействия потоков жидкостей и газов с различными конструкциями, а также задач, связанных с тепловыми расчётами.

Движение потоков жидкостей и газов описывается в виде дифференциальных уравнений частных производных. Но решить эту систему уравнений не представляется возможным ввиду её сложности, а именно невозможности определить граничные условия, размеры. Для выполнения сложных расчётов существует класс CAE-программ, в которых задачи решаются с помощью численных методов.

Autodesk CFD применяется в нескольких областях:

• вентиляция и кондиционирование;
• медицина;
• распространение выбросов;
• ветровая нагрузка;
• проектирование атриумов;
• технологические процессы.

Autodesk CFD содержит специальные инструменты для моделирования тепловых режимов электронных устройств:

• Моделирование вентиляторов.

Многие современные электронные устройства имеют внутренние вентиляторы, предназначенные для циркуляции воздуха и охлаждения элементов техники. Autodesk CFD моделирует потоки воздуха и подбирает необходимые размеры вентилятора, его положение, интенсивность работы.

• Печатная плата

Инструмент предназначен для моделирования плат, которые используются во всех электронных устройствах. Сложность моделирования заключается в том, что плата содержит несколько слоёв проводников различной формы. Вместо реальной конструкции печатной платы создаётся габаритный макет с заданными параметрами: тип материала проводника, количество слоёв, их толщина, площадь покрытия. На основе этих данных Autodesk CFD по формулам автоматически вычисляет усреднённые показатели теплопроводности по нормали к плоскости платы и в плоскости самой платы.

• Интегральные схемы (чипы)

Чипы очень компактны, поэтому для эффективности моделирования существует модель CTM (Compact Thermal Model). Чип представлен в виде двух тепловых сопротивлений: в середине находится проводник, выделяющий тепло, он связан с одной стороны с печатной платой через тепловое сопротивление «проводник-плата», с другой – с корпусом через сопротивление «проводник-корпус». Это позволяет точнее моделировать тепловой режим электронного компонента и упрощает уравнения, которые необходимо решать в процессе моделирования.

• Радиаторы воздушного охлаждения

Упрощается сложная геометрия проектируемого элемента, но для компенсации вводятся дополнительные уравнения, эквивалентные введённым упрощениям. Решение задачи облегчается, а её точность сохраняется на высоком уровне.

• Термоэлектрические элементы

Модель элемента Пельтье позволяет путём преобразования электрического тока охлаждать элементы конструкций.

• Решётки

В устройствах часто используются сетки и решётки, препятствующие попаданию мусора и большого количества пыли, но пропускающие воздух. Смоделировать сетку сложно, так как она состоит из множества маленьких элементов – отверстий – поэтому реальная конструкция также заменяется трёхмерным телом, которому добавляется коэффициент проницаемости через площадь живого сечения.

Знакомство с Autodesk CFD

Переходим к знакомству с Autodesk CFD – для этого запустите программу.

Интерфейс, построенный на концепции других программ Autodesk, будет выглядеть знакомо для опытного пользователя:

• рабочее пространство, занимающее большую часть экрана;
• сверху лента инструментов, которая разделена на вкладки;
• на вкладках специальный функционал, сгруппированный в отдельные категории;
• слева вертикальная область с деревом модели;

К привычному интерфейсу добавляются только специальные функции для работы с моделью.

Настройки по умолчанию отлично подходят для решения типовых задач. Для решения узкоспециализированных задач можно настроить интерфейс под запросы пользователя.

Демонстрация расчёта охлаждения

На рисунке ниже представлен корпус устройства, внутри которого имеется трёхмерное тело, являющееся внутренним объемом. Объем создаётся средствами CAD-приложений, в котором проектируется корпус и элементы. Либо этот объем может задать сам Autodesk CFD при импорте геометрии, если конструкция представляет замкнутую область. Внутри объёмного тела находятся две печатные платы с блоком питания, конденсаторами, чипами, радиатором и вентилятором.

Autodesk CFD содержит инструменты для работы с моделью и не имеет собственных инструментов для создания геометрии модели, она создаётся в CAD-приложениях. Исключение составляет Geometry Tools, который позволяет обработать форму модели: удалить лишние рёбра, мелкие поверхности, создать в проточной части устройства твёрдое тело.

При подготовке модели к расчёту сначала задаются свойства материала

Выберите корпус, нажмите «Редактировать», и появится окно редактора свойств. Выставьте свойства, как показано на картинке:

• Material DB Name → Default – тип библиотеки программы выбран по умолчанию;
• Type → Solid – твёрдый тип тела;
• Name → ABS (Molded) – именем материала непосредственно задаются теплофизические свойства.

Скройте корпус и переходите к внутреннему объему. Далее вызовите окно редактора свойств, только тип материала измените на Fluid (жидкость или газ), а в имени материала выберите Air (воздух).

В левом нижнем углу появятся маркированные наименования материалов, каждый со своим цветом.

Переходите далее к внутренним деталям изделия. Свойства вентилятора будут теми же, что и у корпуса. В примере используется более простой способ моделирования печатных плат – выбор модели из стандартной библиотеки, тип материала Solid, имя деталей PCB 12-Lavern(Y) – модель, слои которой ориентированы по нормали к оси Y, – перпендикулярна к плоскости плат. В другом случае необходимо ввести данные о количестве проводников и их характеристики.

Следующий шаг – задайте свойства радиатора. Тип – Solid, наименование материала – Aluminum.

Чипы моделируются как твёрдые тела (Type → Solid), материал – кремний (Name → Silicon). Те же свойства применяются к другим электронным компонентам.

Для вентилятора используется другой тип материала Internal Fan/Pump. В наименовании будет список вентиляторов библиотеки Autodesk CFD, выберите необходимый и обязательно укажите направление потока воздуха через вентилятор – ось Z.

Граничные условия

После того как все свойства материала заданы, необходимо задать граничные условия для модели – кликните Boundary Conditions.

Начните с поверхности корпуса, где граничные условия задаются на входном и выходном сечениях.

На входном сечении задаются два параметра:

• воздух может беспрепятственно попадать через это сечение в расчетную область – давление в области равно нулю относительно нормального атмосферного давления;

  

• температура входящего воздуха;

  

На выходном сечении указывается один параметр – давление воздуха в этой области равно нулю.

Далее перейдите к деталям внутри корпуса вводим параметры:

• тепловыделение чипов - каждый маленький чип по условиям задачи будет выделять по 3 Вт тепловой энергии, большой чип – 5 Вт.

  

• тепловыделение конденсаторов – для каждого значение по заданным условиям 4 Вт;

  

• трансформатор выделяет 2 Вт тепловой энергии;

  

Все граничные условия заданы, следующий пункт – создание расчётной сетки.

Стационарный процесс, как в примере, моделируется через Mash Sizing. Для построения сетки достаточно кликнуть команду Autosize.

В командном дереве модели появится запись в разделе Mash Sizing, и рёбра модели будут размечены точками, которые станут узлами будущей расчётной сетки.

Расстояние между узлами расчётной сетки можно изменять с помощью коэффициента Size Adjustment.

После всех подготовительных действий можно перейти к настройкам вычислений. На панели инструментов кнопка Solve откроет диалоговое окно, в котором указываются необходимые параметры, после чего запускается процесс вычислений.

Открывается окно Output Bar, в котором видно все расчётные действия программы.

Autodesk CFD автоматически переключается с вкладки Setup на вкладку Results, и начинается решение задачи, появляются графики, показывающие ход решения для нескольких параметров.

На вкладке Results вы найдете набор инструментов для анализа результатов. Один из таких инструментов – Planes, который строит секущие плоскости. Плоскости можно передвигать во всех направлениях и вращать вокруг оси.  В данный момент на картинке цветом отображается скорость воздуха внутри. Если приблизить секущую плоскость к вентилятору – красный цвет покажет максимальную скорость.

Скорость потоков воздуха можно изобразить в виде векторов, для этого:

• секущая плоскость устанавливается перпендикулярно оси Y;
• секущая плоскость становится прозрачной после команды Outline;
• в разделе Vector указываются векторы.

  

Полученная информация поможет определить зоны завихрения в изделии.

Изображение расчётов можно сделать более наглядным, если отобразить все элементы как трёхмерные тела и выбрать на вкладке Global в качестве результата не вектор скорости воздуха, а температуру деталей.

Следующий инструмент Parts позволяет определять характеристики для отдельных деталей. Выделите наиболее нагруженную деталь и в окне кликните Calculate. Программа покажет объем, занимаемый элементом, максимальную и минимальную температуру, которую можно сравнить с допустимой температурой, указанной производителем.

Инструмент Iso Surface создаёт изоповерхности, с помощью которых можно подсветить все точки с определенным значением какого-либо показателя, например, температуры. Кликните Add, и в окне контроля изоповерхности можно будет выбрать интересующее значение. На картинке показан переход от более холодных к более горячим участкам.

На этом первое знакомство с Autodesk CFD заканчивается. Но рассмотренные функции показали лишь часть обширных возможностей Autodesk CFD, о которых вы узнаете из новых статей.