Analyse thermique

Le module d'analyse thermique permet de résoudre des problèmes de transfert de chaleur et de conduction thermique. Un objectif typique de l'analyse thermique est de trouver des champs de température et de flux de chaleur (thermique) dans le volume d'un objet. AutoFEM soutient deux façons de formuler un problème d'analyse thermique:

 

Exemples d'un processus thermo-dynamiques état ​​stationnaire et transitoire

 

Étapes en détails de l'analyse thermique

L'analyse thermique est effectué en plusieurs étapes. L'ordre des étapes pour l'utilisateur pour mettre en place une étude et effectuer des calculs de l'analyse de flambage structurel est similaire à l'algorithme décrit pour l'analyse statique. Par conséquent, dans ce chapitre, nous allons seulement parler de ce qui est spécial pour l'analyse thermique:

1. Créer l'étude. Lors de la création d'une étude, précisez son type; «Analyse thermique». Comme dans d'autres types d'études, la construction d'un maillage d'éléments finis est nécessaire pour le rapprochement de la géométrie de la structure.

2. Application des conditions limites. Dans l'analyse thermique, les conditions limites sont représentées par les limites: températures initiales, sources de puissance thermique, flux thermique,  et les conditions de l'échange de chaleur entre le modèle et l'environnement: convection and radiation appliquée sur le modèle.

La température initiale est utilisée pour définir les charges thermiques au moment initial (zéro) et pour l'analyse thermique transitoire seulement.

Toutes les charges thermiques définies sans avoir activé «initiale» sont considérés constant (invariable) à la fois dans l'état ​​d'équilibre et l'analyse thermique transitoire.

3. Résolution. Avant d'exécuter les calculs, l'utilisateur peut spécifier le type d'étude d'analyse thermique étant résolu (sous [Paramètres], transfère de chaleur stationnaire ou transitoire), et, si nécessaire, ajuster les algorithmes pour résoudre des systèmes d'équations sous [Calculs].

4. Analyse des résultats thermique de la solution. Les résultats de l'analyse thermique sont les suivants:

Les champs de température - la distribution de la température sur le volume du modèle

Gradients thermiques par les axes X, Y et Z, et l'amplitude du gradient thermique – reflète le degré de changement de température par les axes respectifs du système de coordonnées.

Flux thermique résultant par les Axes X, Y et Z et l'amplitude du flux thermique résultant – affiche le taux de transfert d'énergie thermique, déterminée à partir de la solution à l'étude d'analyse thermique.

Amplitudes du gradient thermique (température) et le flux de chaleur résultant sont déterminées comme racine carrée de la somme des carrés des composantes de coordonnées projetées.

En plus les résultats mentionnés, les données de référence suivants peuvent être affichés dans la fenêtre du post-processeur:

Les méthodes d'analyse des résultats de l'analyse thermique du postprocesseur AutoFEM sont en général similaires aux méthodes de l'analyse des résultats des autres modules AutoFEM. Citons quelques outils de post-processeurs spécifiques qui peuvent être utilisés pour analyser les résultats de transfert thermique transitoire.

La résolution d'une étude de transfert de chaleur transitoires fournit un grand nombre de données, dont le nombre total est égal au nombre de pas de temps spécifié par l'utilisateur. AutoFEM fournit à l'utilisateur une interface visuelle pratique pour la gestion de l'ensemble du réseau des données résultant de calculs. A cet effet, le panneau de dialogue "processus de transition" peut être appelé à partir des résultats d'affichage dans le menu contextuel de la fenêtre, qui peut être utilisé par l'utilisateur pour sauter rapidement au résultat souhaité sur l'échelle de temps.

L'utilisation de la fenêtre «Processus de transition» pour la gestion des résultats d'une étude thermique transitoire.

 

Paramètres du processeur de l'analyse thermique

Sous [Général] vous pouvez définir ou modifier les attributs descriptifs de l'étude actuelle, comme le nom ou un commentaire.

L'onglet [Résoudre] contient les paramètres des systèmes d'équations algébriques avec leurs significations similaires aux paramètres de l'étude de l'«Analyse statique»  (voir la section correspondante). Notez que le mode «Calculer en utilisant les éléments linéaires» peut être utilisé dans la plupart des cas de l'analyse thermique, ce qui permet des calculs beaucoup plus rapides. Contrairement aux études d'analyse statiques, de fréquences et de flambage, les résultats de la distribution de la température sur le volume du modèle obtenus sous l'hypothèse d'interpolation linéaire ne sont pas très différents des résultats respectifs obtenus en utilisant une interpolation quadratique.

Avant de commencer les calculs, sous [Paramètres], l'utilisateur peut indiquer le type de problème d'analyse thermique résolu: (mode stationnaire) ou non-stationnaire (transitoire) de conduction thermique.

Pour conduction thermique non stationnaire, il est nécessaire de spécifier une durée de processus («Le temps final du modelage»), les pas de temps et la température initiale.

Dans l'analyse thermique «Initial temperature|Use preset temperature» permet a l'utilisateur de définir en tant que température initiale:

Fenêtre «Paramètres»  de l'étude d'analyse thermique

La commande «Utiliser les résultats de l'analyse thermique»  permet de définir la température initiale à  partir de résultats d'une analyse thermique conduite précédemment. Ce dialogue devient accessible à l'utilisateur s'il a exécuté des études thermiques présentes dans le modèle auparavant.

Dans la liste déroulante, sélectionnez le nom d'une étude d'analyse thermique résolu et, si nécessaire, le moment. Notez que certaines conditions doivent être remplies pour l'utilisation des résultats d'analyse thermique que les conditions initiales de température:

1. L'identité de maillages d'éléments finis dans les deux analyses thermiques. La façon la plus simple de réaliser cette identité est l'utilisation de la commande "Copier" disponible dans le menu contextuel. La séquence des étapes peut être, par exemple, comme suit:

a) Créez une étude de type «Analyse thermique", générez un maillage, définissez les conditions limites, et exécutez les calculs. Nous supposons que les températures résolus seront utilisés pour définir les températures initiales dans une autre étude d'analyse thermique transitoire;  

b) créez la copie d'une étude utilisant la commande «Copier»;

c) définissez les conditions limites d'une étude d'analyse thermique transitoire. Sous «Paramètres», sélectionnez le nom de la première étude et, si c'est une analyse transitoire, l'étape de temps désiré.

En conséquence, nous avons deux études de différents types, mais avec des maillages d'éléments finis identiques.

2. La propriété «Utilisez des élément finis linéaires" sous «Résoudre» dans les paramètres de l'étude doit utiliser les mêmes paramètres dans les deux études. Par exemple, si la première analyse thermique est réalisée par des éléments linéaires puis la seconde analyse thermique basée sur les anciens résultats d'analyse thermique. ils peuvent également être exécutés par des éléments linéaires.

Notez également que la résolution d'une étude de transfert thermique transitoire nécessite plus de temps CPU par rapport au transfert de chaleur en régime permanent car dans le premier cas, les systèmes d'équations algébriques sont résolus à chaque pas de temps défini par l'utilisateur.

L'onglet [Résultats] permet de définir les types de résultats affichables dans l'arbre de l'étude après les calculs.

«Résultats» (à gauche) et le dialogue pour régler résultats affichables par défaut dans l'arbre de l'étude (à droite)

 

Exemples d'études de l'analyse thermique

Analyse thermique d'un radiateur de refroidissement. Stationnaire

Requis est une évaluation de l'efficacité d'un radiateur de refroidissement passif pour un semi-conducteur avec la puissance de dissipation de maximum de 15 watts. La température admissible du corps de la puce électronique est de 75°C dans la gamme de fonctionnement des températures ambiantes de 25°C à 55°C. Un radiateur d'alliage d'aluminium est utilisé pour le refroidissement du dispositif et est monté dans la partie supérieure du corps de la puce électronique. Pour améliorer la dissipation de chaleur, le corps de la puce est aussi fait d'aluminium.

Pas 1. Créez «l'Étude», le maillage et le matériel. Créez une étude du type "Analyse thermique" en utilisant la commande «Analysis|New Study» basée sur deux corps – la puce et le radiateur. Générez un maillage d'éléments finis. Vous devez également définir les paramètres du matériel de la pièce. Par défaut, les calculs utilisent les propriétés des matériel «De l'opération», c'est à dire que les propriétés du matériel sont automatiquement obtenus à partir du modèle solide de la part du produit. Ceci est particulièrement pratique quand une étude inclut les organismes de différents matériaux représentant des parties de modèles. Dans notre cas, le matériel «Aluminium»  a été défini lors de la création du modèle 3D du radiateur et de la puce électronique avec ses propriétés physiques et chimiques contenues dans la base de données AutoCAD.

 

Pas 2. L'application des conditions limites. Précisons les charges thermiques pour le modèle. Nous allons appliquer la charge «puissance thermique» de 15 Watt pour le volume de la puce et de définir la condition limite «convection» sur les surfaces du radiateur de dissipation de chaleur externes avec le paramètre de convection de 15 Watt/(m2 . °C) et température ambiante (25°C). Nous pouvons méconnaître dans cette étude le facteur d'échange de chaleur mutuel et de radiation ambiante, puisque leur contribution au rayonnement est extrêmement faible avec températures attendues (dizaines de degrés Celsius). Après avoir terminé les commandes de la construction du maillage d'éléments finis et la définition des charges thermiques, nous obtenons un modèle d'éléments finis prêt pour le calcul.

Définir la charge "Puissance thermique"

Définir la charge "Convection"

 

Pas 3. Exécution de calculs et l'analyse des résultats. Nous allons commencer l'analyse thermique en exécutant la commande «Analysis|Solve». Dans le dialogue qui apparaît sur ​​les propriétés de l'étude, définir l'option «stationnaire» sous [Paramètres]. Utilisez le mode «Utiliser les éléments  finis linéaires» sous [Calcul]  pour accélérer les calculs.

La liste des résultats de calcul est affiché dans la fenêtre «Études» et peut être consulté par le menu contextuel de la fenêtre des résultats de calcul. La température maximale en fonction des résultats de la chaleur et de l'analyse est de 39,1°C à la température de convection égale à 25°C. Nous allons ensuite modifier la température de convection en utilisant la commande «Éditer» du menu contextuel de l'arbre des études. Nous réglons la température ambiante fonctionnement de sa limite supérieure (55°C), puis relancez les calculs. Nous obtiendrons la température maximale de la puce égale à 69,1°C. La conclusion est le radiateur remplit les conditions de températures requise pour le périphérique dans toute la gamme spécifiée de températures de fonctionnement de l'objet. L'étude est terminée.

Les champs de température dans le radiateur avec la température de convection de 25°C

 

Calculer le temps de réchauffement du radiateur de refroidissement. Mode transitoire

Laissez-nous estimer le temps nécessaire pour que le dispositif atteigne un état thermique stable. Pour cela, nous allons exécuter une analyse thermique transitoire du système «radiateur et puce».

Pas 1. Créer la copie de l'étude. Nous allons créer une copie de l'étude originale dans une analyse thermique en régime stationnaire utilisant la commande «Copier» du menu contextuel de l'arbre des études. Sous [Général] des propriétés de l'étude, modifiez le nom de l'étude à «chauffage».

Pas 2. Définir les paramètres de l'analyse transitoire. Sous [Paramètres] des propriétés d'analyse thermique, choisissez le mode «transitoire» (non stationnaire). Définissez les paramètres d'analyse temporelles - le temps final du modelage de 30 minutes et les étapes de modélisation de 0,5 minutes. Nous allons utiliser la température ambiante uniforme (25°C) en tant que température du modèle initial.

Définir les paramètres de calcul de l'analyse thermique transitoire - le temps et la température initiale

Pas 3. Exécution des calculs et l'analyse des résultats. Après l'achèvement des calculs, vous pouvez examiner les résultats à chaque pas de temps. Pour voir ces résultats, nous utilisons la barre flottante "Processus de transition" qui permet à l'utilisateur de passer rapidement à l'instant de temps d'intérêt à l'aide d'un curseur. Avec l'aide de ces outils nous déterminons qu'un chauffage presque complète du radiateur se fera après environ 26 minutes.

Résultat de l'analyse thermique après 1590 secondes (26 min.)

Calcul du temps de refroidissement du radiateur. mode transitoire

Maintenant, nous allons évaluer le temps requis pour le radiateur pour refroidir après un travail prolongé.

Pas 1. Créer une copie de l'étude. Réglage des conditions limites. Nous allons créer une copie de l'étude originale de l'analyse thermique stationnaire. Ajustez les conditions limites de cette étude: la charge «puissance thermique» sera supprimé.

Pas 2. Définition des paramètres d'analyse transitoire. Réglez le mode «transitoire» sur l'onglet des propriétés d'analyse thermique. Définissez les paramètres d'analyse du temps - avec le temps de modélisation de 30 minutes, et les pas par temps de modélisation de 0,5 minutes. Nous allons utiliser le résultat de l'évaluation du radiateur stationnaire précédent en tant que température du modèle initial.

Réglage des paramètres de l'étude pour le calcul de processus de refroidissement

(transfert thermique transitoire)

Pas 3. L'analyse des résultats de calcul. Nous allons effectuer des calculs et analyser les résultats. En utilisant la barre «processus de transition», nous pouvons déterminer que le refroidissement presque complète du radiateur se produira environ 26 minutes après l'éteignant.

Calcul de refroidissement de l'appareil.

Distribution des températures à la 1590-ème seconde du temps de calcul

 

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