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本文章翻译自官方的help 文档：Getting Started with Icepak: Finned Heat Sink

1-简介 ​

本文档旨在作为《Icepak》的补充材料，适用于初学者和高级用户。它介绍了如何使用Ansys Icepak建模带翅片的散热器，以及任何Ansys Icepak项目中必不可少的许多功能和特性。为了简洁起见，后续教程中的许多内容没有涵盖基本步骤或详细解释这些步骤，因为这些教程假设读者已经完成了本教程。

在本教程中，您将学习如何：

  1. 创建新项目；
  2. 使用几何图形和热边界条件创建模型；
  3. 为您的模型生成网格；
  4. 设置包含湍流在内的各种物理条件和参数的模拟；
  5. 计算解决方案；
  6. 通过在平面切割和对象几何上绘制等高线和矢量场覆盖图来后处理结果。

本章包含以下主题： “示例项目-带翅散热器”如下

样品项目-带翅散热器 柜体包含五个高功率设备、一个背板、十个散热片、三个风扇和一个自由开口，如图所示。散热片和背板由挤压铝制成。每个风扇的总风量为18 cfm，每个电源的功率耗散率为33瓦。根据设计目标，当空气以20°C的环境温度吹过散热片时，设备底部的温度不应超过65°C。 alt text

2-创建项目并构建模型 ​

启动Ansys电子桌面后，创建项目、插入Icepak设计并构建模型。

创建项目 ​

  1. 在 Desktop 功能区，单击New。
  2. 从Project 菜单中，选择 Insert Icepak Design。
  3. 在Project Manager 中，右键单击项目名称并选择 Rename 。
  4. 重命名项目为“Finned_Heat_Sink”。
  5. 从 File 菜单中，选择 Save 。
  6. 将项目保存到您的工作目录中

构建模型 ​

调整机柜大小

  1. 在“ History ”树中，展开 Model > Solids > air > Region ，然后选择“CreateRegion”。
  2. 在“Properties”窗口中，定义以下参数：
  • l +X Padding Type: Absolute Position
  • l +X Padding Data: 0.075 meter
  • l -X Padding Type: Absolute Position
  • l -X Padding Data: 0 meter
  • l +Y Padding Type: Absolute Position
  • l +Y Padding Data: 0.25 meter
  • l -Y Padding Type: Absolute Position
  • l -Y Padding Data: 0 meter
  • l +Z Padding Type: Absolute Position
  • l +Z Padding Data:0.356 meter
  • l -Z Padding Type: Absolute Position
  • l -Z Padding Data: 0 meter

创建背板 ​

背板厚度为0.006 m，将机柜分为两个区域：设备侧（高功率设备包含在壳体中）和散热片侧（散热片散发设备产生的热量）。模型中的背板由实心棱柱块表示。

注：导热块和导热厚板允许六面控制，以满足网格和热规范要求。然而，导热薄板没有物理厚度，因此只能进行两面控制。

  1. 在“Draw”菜单中，选择“Box”。
  2. 按 F4 进入对话框输入模式

注：您可以通过按F3（点模式）或F4（对话框输入模式）在绘图方法之间切换。

  1. 在“CreateBox”对话框的“ Command ”选项卡中，定义以下尺寸参数和单位：
  • l Position: 0, 0, 0 meter
  • l XSize: 0.006 meter
  • l YSize: 0.25 meter
  • l ZSize: 0.356 meter
  1. 在 Attribute 选项卡上，输入backing_plate作为 Name。
  2. 单击OK。

创建free开场 ​

  1. 按 F 键进入面选择模式。

  2. 在 3D Modeler 窗口中，选择区域（柜子）的顶部面。 alt text

  3. 右键单击并选择 Assign Thermal > Opening > Free. 。

  4. 在“Opening Thermal Model ”对话框中，输入 FreeOpening 作为 Name 。

  5. 单击“ OK ”接受默认的热和流规范。

创建风扇 ​

每个风扇在物理上都与其他风扇相同，只是它们位于机柜墙上的位置不同。要创建三个风扇的集合，您需要构建一个作为模板的单个风扇，然后创建两个副本，每个副本在Y方向上都有指定的偏移量。

  1. 在 Project Manager 中，右键点击 3D Components 并选择 Create > Fan 。
  2. 在 Fan Component 对话框的 Geometry 选项卡中，定义以下参数： 1. Radius: 0.03 meter ；2. Hub Radius: 0.01 meter
  3. 在 Properties 选项卡中，定义以下参数：Flow Type：固定体积- 18 cfm
  4. 点击 OK。
  5. 在 History 树中，展开 Fan1。
  6. 右键点击Fan1_1并选择 Edit > Arrange > Move.。
  7. 在 Move 对话框中，输入0.04、0.0475、0作为 Move Vector Value。
  8. 更改 Unit 为 meter。
  9. 点击 OK 。
  10. 在 History 树中，右键点击Fan1_1并选择 Edit > Duplicate > Along Line.。
  11. 在 DuplicateAlongLine 对话框中，输入3作为 Total Number。
  12. 输入0、0.0775、0作为 Vector。
  13. 更改 Unit 为 meter。
  14. Click OK.

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创建高功率器件 ​

与风扇一样，每个设备在物理上都与其他设备相同，只是位置不同。要创建这五个设备的集合，您将构建一个单个矩形平面源作为模板，然后创建四个副本，每个副本在Y方向上都有指定的偏移量。

  1. 从“Draw”菜单中选择“Rectangle”。
  2. 在“CreateRectangle”窗口的“Command”选项卡中，定义以下尺寸参数和单位：
    Position: 0, 0.0315, 0.1805 meter
    Axis: X
    XSize: 0.007 meter
    ZSize: 0.02 meter
  3. 在“Attribute”选项卡中，输入HighPowerDevice1作为Name。
  4. 在History树中，右键单击HighPowerDevice1并选择 Assign Thermal > Source。
  5. 在“Source Thermal Model”对话框中，输入33 W 作为 Total Power。
  6. 单击确定。
  7. 在历史树中，右键单击HighPowerDevice1并选择 Edit > Duplicate > Along Line。
  8. 在“DuplicateAlongLine”对话框中，输入5 作为Total Number。
  9. 输入0,0.045,0作为Vector。
  10. Change the Unit to meter.
  11. Click OK

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创建鳍片 ​

与风扇和设备一样，每个叶片在物理上都与其他叶片相同，只是它们在机柜中的位置不同。要创建10个叶片阵列，请创建一个矩形板作为模板。然后创建9个副本，每个副本在Y方向上都有指定的偏移量。

  1. 从“Draw”菜单中选择“Box”。
  2. 在“CreateBox”对话框中，定义以下尺寸参数和单位：
    l Position: 0.006 ,0.0125 ,0.05 meter
    l XSize: 0.069 meter
    l YSize: 0.0025 meter
    l ZSize: 0.281 meter
  3. 单击“确定”。
  4. 在“历史记录树”中，右键单击“Box1”，然后Edit > Duplicate > Along Line。
  5. 在“DuplicateAlongLine”对话框中，输入10作为“Total Number”。
  6. 输入0、0.025、0作为“Vector”。
  7. 将“Unit”更改为“meter”。
  8. Click OK alt text

评审模型组件 ​

“设计列表”显示有关模型组件的信息

  1. 在Icepak菜单中，选择List。
  2. 查看“Design List”对话框中的组件信息。

注：在“ Design List”中选择一个或多个构件，以便在“历史树”和“三维建模器”窗口中选择它们

  1. 从“File”菜单中选择“Save”。

3-生成并显示网格 ​

在构建模型后，生成并显示网格。

生成粗网格 ​

  1. 在“ Project Manager”中，右键单击“ Mesh”，然后选择“Edit Global Region”。
  2. 在“Advanced”选项卡上，禁用“User specified”复选框。
  3. 在“Auto Mesh Setting”下的“General”选项卡上，确保滑块位于“Coarse/Small”和“Fine/Large”位置之间。 alt text
  4. 单击“确定”。
  5. 在“Project Manager”中，右键单击“Mesh”，然后选择“Generate Mesh”。

显示粗网格 ​

网格化过程完成后，将自动出现“Mesh Visualization”对话框。

  1. 在“Mesh Visualization”下的“Mesh display on”对话框中，启用“Show”并选择“Geometry/Boundary selection”。
  2. 在“History tree”中，右键单击“ Model”，然后选择“Select All ”
  3. Click Close alt text

生成精细网格 ​

  1. 在“ Project Manager”中，右键单击“Mesh”，然后选择“Edit Global Region”。
  2. 在“Auto Mesh Setting”的“General”选项卡上，将滑块移动到“ Fine/Large”位置。
  3. 单击“确定”。
  4. 在“Project Manager”中，右键单击“Mesh”，然后选择“Generate Mesh”

显示细网格 ​

网格化过程完成后，将自动出现“网格可视化”对话框。

  1. 在“Mesh显示”下的“网格可视化”对话框中，启用“显示”，然后选择“几何/边界选择”。
  2. 在“历史树”中，右键单击“模型”，然后选择“全部选择”
  3. Click Close. alt text

4-定义模拟设置并运行分析 ​

定义设计设置 ​

  1. 在Icepak菜单中，选择“Design Settings”。
  2. 在“ Icepak Design Settings”对话框的“Gravity”选项卡上，选择“Global::Y”和“Negative”，以根据全局坐标系定义负Y方向的重力。
  3. 单击“确定”。

添加解决方案安装程序 ​

  1. 在 Project Manager 中，右键单击Analysis并选择Add Solution Setup。
  2. 在 Icepak Solve Setup 设置对话框的 General 选项卡中，将Maximum Number of Iterations 更改为200。
  3. 在 Problem Types 下，保留同时求解 Temperature 和 Flow 的选择。
  4. 在 Flow Regime (流动状态)下，选择 Turbulent 并点击 Options。在 Turbulent Flow Model 对话框中，保留 Zero Equation 选择并点击确定。
  5. 在 Radiation Model（辐射模式）,下，保留 Off 选择以忽略因辐射引起的热传递。
  6. 单击“确定”。
  7. 在“文件”菜单中，单击“保存”。 alt text

运行模拟 ​

  1. 在“Project Manager”中，展开“Analysis”。
  2. 右键单击“Setup1”，然后选择“Analyze”。
  3. 右键单击 Setup1 并选择 Residuals 以监视模拟残差。 alt text

注：当模拟完成时，消息窗口中显示一条消息，说明“服务器上的模拟正常完成”。

5-对结果进行后处理 ​

Ansys电子桌面提供了多种查看和检查解决方案结果的方法，包括： Plane cut views Object face views Fields summary report

注意：本练习的目的是确定散热器（风扇和散热片）相关的气流和热传递是否足以将设备温度保持在65°C以下。您可以通过创建不同的平面切片并监测其上的速度矢量和温度来实现这一点。平面切片视图允许您观察平面上解变量的变化。

创建平面切割字段覆盖层 ​

创建平面 ​

  1. 在“ Draw ”菜单中，选择“ Plane ”。
  2. 在“3D Modeler ”窗口中，双击以绘制平面。
  3. 在“ History ”树中，展开“Planes”，然后选择“Plane1”。
  4. 在“ Properties ”窗口中，编辑以下属性：
    l Name: cut-plane
    l Root point: 0.0375 ,0.125 ,0.178 meter
    l Normal: 1 ,0 ,0 meter

Plot Speed/显示风速 ​

  1. 在“历史记录”树中，选择“cut-plane”。
  2. 在“3D Modeler”窗口中单击鼠标右键，然后选择“ Plot Fields > Velocity > Velocity Vectors”。
  3. 在“Create Field Plot ”对话框中，启用“Specify Name”，并输入“cut-velocity”。
  4. 保留“Velocity Vectors”选择作为“Quantity”，然后单击“确定”。
  5. 在“Project Manager”中，展开“Field Overlays > Velocity”。
  6. 右键单击“cut-velocity”，然后选择“ Plot Visibility ”以隐藏字段图。

Plot Temperature/显示温度 ​

  1. 在“历史记录”树中，选择“cut-plane”。
  2. 在“ 3D Modeler ”窗口中单击鼠标右键，然后选择“Plot Fields > Temperature > Temperature”。
  3. 在“Create Field Plot”对话框中，启用“Specify Name”，并输入“cut-temperature”。
  4. 保留“Temperature”选项以用于“Quantity”，然后单击“确定”。
  5. 在“ Project Manager”中，展开“Field Overlays > Velocity”。
  6. 右键单击“cut-velocity”，然后选择“Plot Visibility”以隐藏字段图。 alt text

Plot Pressure 风压 ​

  1. 在“历史记录”树中，选择“cut-plane”。
  2. 在“3D Modeler”窗口中单击鼠标右键，然后选择“Plot Fields > Pressure > Pressure”。
  3. 在“Create Field Plot”对话框中，启用“Specify Name”，并输入“cut-pressure”。
  4. 保留“Pressure”选项以用于“Quantity”，然后单击“确定”。
  5. 在“e Project Manager”中，展开“Field Overlays > Pressure.”。
  6. 右键单击“cut-pressure”，然后选择“ Plot Visibility ”以隐藏字段图。

Create Object Field Overlays/创建对象字段覆盖层 ​

高功率器械的局部温度 ​

  1. 在历史树中，展开“Sources”，然后选择所有五个高功率设备。
  2. 右键单击“三维建模器”窗口，然后选择“ Plot Fields > Temperature > Temperature”。
  3. 在“Create Field Plot”对话框中，启用“Specify Name”，然后输入highpowerdevicetemperature。
  4. 保留“Quantity”的温度选择，然后单击“确定”。 alt text

背板上的工作温度 ​

  1. 在历史树中，展开“Al-Extruded”，然后选择“backing_plate”。
  2. 在3D Modeler窗口中右键单击并选择“Plot Fields”>“Temperature”>“Temperature”。
  3. 在“Create Field Plot”对话框中，启用“Specify Name”，并输入“backingplate-temperature”。
  4. 保留“Temperature”选项，作为对象Quantity
  5. 使能 Plot on surface only，然后单击“确定”。

创建字段汇总报表 ​

创建对象特定的解决方案数据字段摘要报告。字段摘要报告可以提供解决方案中关于特定模型边界条件或对象的物理信息。

  1. 从Icepak菜单中，选择“Fields > Create Fields Summary”。
  2. 在“Setup Calculation”对话框中，选择“Object”作为“Entity Type”。
  3. 在“Entity”列表中，选择“backing_plate”。
  4. 在“Quantity”列表中，选择“HeatFlowRate”。
  5. 从“Add”下拉列表中，选择“Add As Single Calculation”。
  6. 对于以下实体和数量重复步骤3至5。

注：您可以一次选择多个实体。当选择一个实体时，再次选择它以清除选择。

EntityQuantity
Fan1_Hub, Fan1_Hub2, Fan1_Hub3, Fan1_Passage, Fan1_Passage2, Fan1_Passage3VolumeFlowRate
HighPowerDevice1, HighPowerDevice1_1, HighPowerDevice1_2, HighPower Device1_3, HighPowerDevice1_4HeatFlowRate
Fin1, Fin1_1, Fin1_2, Fin1_3, Fin1_4,Fin1_5, Fin1_6, Fin1_7, Fin1_8, Fin1_9HeatFlowRate

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总结 ​

在这个教程中，你已经确定了指定散热器维持源温度低于65°C的能力。后处理结果显示最大源温度约为60°C，表明散热器为源提供了足够的冷却。此外，你还学习了Icepak项目的基本工作流程，包括模型构建、网格生成、问题设置、解计算和后处理，以及你在后续教程或自己的项目中可能会用到的重要特性和功能。

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