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本文来源于官方文档的翻译:Getting Started with Icepak: Optimization of Fan Location

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。它通过一个小的系统级模型展示了优化功能。 在本教程中,您将学习如何:

  • l使用网络块作为建模包的一种方法。
  • l使用块对象的侧面规格指定接触电阻。
  • l将变量定义为参数,并通过求解参数试验来优化模型以实现最大性能。
  • l指定风扇曲线并动态更新它们。
  • l使用局部坐标系。
  • l生成多个参数化解决方案的场摘要报告。

示例项目-系统级模型

系统级模型由PCB上的多个IC芯片组成。风扇用于强制对流冷却耗电设备。一个带有八个0.008米厚散热片的热沉被固定在IC芯片上。风扇流量由非线性风扇曲线定义。系统还包括一个穿孔薄格栅。通过Icepak中的参数化功能,对风扇的最佳位置进行了研究。

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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。

设置“基础选项”

注:要使用Slack设置,请在常规选项中启用Icepak虚拟网格区域beta选项。

  1. 从“工具”菜单中,选择“选项”>“常规选项”。
  2. 在“选项”对话框中,展开“常规”>“桌面配置”。
  3. 单击“Beta选项”。
  4. 启用Icepak虚拟网格区域,然后单击“确定”。
  5. 单击“确定”关闭“选项”对话框。

创建项目

  1. 在Desktop 功能区中,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,然后选择 Rename。
  4. 将项目重命名为“Parameterize_Fan”。
  5. 从 File 菜单中,选择 Save 。
  6. 将项目保存到工作目录中。

定义选项

本项目中的模型主要使用米作为长度单位。此外,Icepak在创建原生3D组件和边界条件时提供了两种用户界面展示方法:向导或标签式界面。本指南中的说明是针对标签式界面编写的。在选项中,定义默认的长度单位并设置组件和边界条件界面选项。

  1. 在“ Modeler ”菜单中,选择“ Units ”。
  2. 在“ Set Modeler Units and Max Extent ”对话框中,从“Select units ”下拉列表中选择“米/meter”,然后单击“确定”。
  3. 在“Tools ”菜单中,选择“Options > General Options ”。
  4. 展开“Icepak”,然后单击“Thermal”。
  5. 禁用 Use Wizards for data input when creating new boundaries。
  6. 单击“确定”

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: 0.4 meter
     l -X Padding Type: Absolute Position
     l -X Padding Data: 0 meter
     l +Y Padding Type: Absolute Position
     l +Y Padding Data: 0.13 meter
     l -Y Padding Type: Absolute Position
     l -Y Padding Data: 0 meter
     l +Z Padding Type: Absolute Position
     l +Z Padding Data:0.25 meter
     l -Z Padding Type: Absolute Position
     l -Z Padding Data: 0 meter
    

定义变量并创建风扇

首先定义一个变量,用于风扇的位置,然后创建风扇组件。

定义变量
  1. 在“ Project ”菜单中,选择“Project Variables ”。

  2. 在“ Properties ”对话框中,单击“ Add ”。

  3. 在“添加属性”对话框中,定义以下参数:

     l Name: $zc
     l Unit Type: Length
     l Units: meter
     l Value: 0.1
    
  4. 单击“确定”关闭“Add Property”对话框。

  5. 单击“确定”关闭“ Properties ”对话框。

创建风扇组件
  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:
    l Cross-section: YZ
    l Radius: 0.05 meter
    l Hub Radius: 0.02 meter

  3. 在 Properties 选项卡上,保留 Flow Type 选择为 Curve 并点击 Edit Curve 。

  4. 在 Edit Dataset 对话框中,输入下图所示的值。 alt text

  5. 点击确定以关闭“ Edit Dataset ”对话框。

  6. 在“Swirl”下,选择RPM并输入4000作为RPM,2000作为 Operating RPM。

  7. 点击确定。

  8. 在历史树中,展开 Model > Fan1。

  9. 右键点击Fan1_1,选择 Edit > Arrange > Move 。

  10. 按F4显示 Move 对话框。

  11. 在 Move 对话框中,输入0 ,0.07 ,0.1作为 Move Vector Value。

  12. 将0.1替换为变量 $zc。

  13. Click OK. alt text

注:要更改风扇几何图形的颜色,请展开“Model > Fan1 > Fan1_1 > Sheets > Unassigned”,然后选择“Fan1_Hub”和“Fan1_Passage”。在“ Properties”窗口中,单击“值”单元格中的当前颜色,并在“颜色”窗口中选择新颜色。

创建网格

  1. 按F键进入面板选择模式。
  2. 在“3D建模器”窗口中,选择风扇对面的柜面板。 alt text
  3. 右键单击并选择“Assign Thermal > Grille ”。
  4. 在“ Flow Specification ”下的“Grille Thermal Model ”对话框中,输入 Free Area Ratio = 0.5。
  5. 5.单击“确定”。

创建墙

在放大器外壳的Ymax面上创建一面墙,以覆盖外壳的Xmin侧。

  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 ,0 ,0 meter 
     l XSize: 0.4 meter
     l YSize: 0.01 meter
     l ZSize: 0.25 meter
    
  3. 在“Attribute ”选项卡上,定义以下参数:

     l Name: wall_1
     l Material: FR-4
    
  4. 单击“确定”。 alt text

  5. 在“历史记录”树中,展开“Model > Solids > FR-4.”。

  6. 右键单击wall_1并选择“Select > All Faces ”。

  7. 在3D模型器窗口中右键单击并选择“Assign Thermal > Wall > Stationary ”。

  8. 在“Stationary Wall Thermal Model ”对话框中,定义以下参数:

     l Name: wall_1
     l Wall Thickness: 0.001 meter
     l Solid Material: FR-4
     l External Condition: Heat Flux
     l Heat Transfer Coefficient: 20 irrad_W_per_m2
    
  9. Click OK.

创建实体块

创建块几何图形并复制它,以创建四个固体块,每个固体块耗散功率为5 W,接触电阻为0.005 C/W。

创建块几何
  1. 从“绘制”菜单中选择“盒子”。

  2. .在“创建盒子”对话框中,定义以下尺寸参数和单位:

     l Position: 0.05 ,0.01 ,0.1 meter
     l XSize: 0.05 meter
     l YSize: 0.02 meter
     l ZSize: 0.05 meter
    
  3. 在“属性”选项卡上,定义以下参数:

     l Name: block_1
     l Material: Al_Extruded
     l Color: Select a unique color
    

颜色:选择一个独特的颜色 4. 单击“确定”。

创建块的副本
  1. 在“ History ”树中,展开“Model > Solids > Al-Extruded ”。
  2. 右键单击“block_1”,选择“Edit > Duplicate > Along Line”。
  3. 输入0.08 ,0 ,0 作为复制器件再X轴上的矢量。
  4. 在“ DuplicateAlongLine ”对话框中,输入4作为“Total Number/总数”。
  5. 单击“确定”。
指定导电板边界条件指定块边界条件
  1. 在历史树中,右键单击block_1并选择“ Assign Thermal > Block ”。
  2. 在“ Block Thermal Model ”对话框中,定义总功率/Total Power为5 W。
  3. 单击“确定”。
  4. 对block1_1、Block、1_2和block1_3重复步骤1至3。
指定导电板边界条件
  1. 在“三维建模器”窗口中,选择block_1的最小Y面。 alt text
  2. 右键单击并选择“Assign Thermal > Plate > Conducting ”。
  3. 在“Conducting Plate Thermal Model ”对话框中,定义以下参数: l Thermal Specification: Thermal Resistance l Thermal Resistance: 0.005 cel_per_w
  4. 对于block1_1、block、1_2和block1_3的最小Y面重复步骤1至4。

创建网络块

创建块几何图形并复制它,以创建四个网络块来建模集成电路芯片。

创建块几何图形
  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: 0.05 ,0.01 ,0.18 meter
     l XSize: 0.05 meter
     l YSize: 0.02 meter
     l ZSize: 0.05 meter
    
  3. 在“Attribute”选项卡中,定义以下参数:

     l Name: block_2
     l Material: Al_Extruded
     l Solve Inside: Disabled
     l Color: Select a unique color
    
  4. Click OK.

指定网络边界条件
  1. 右键单击“block_2”,然后选择“Select > All Faces”。

  2. 在“3D模型器”窗口中右键单击,然后选择“Assign Thermal > Network ”。

  3. 在“Network Thermal Model ”对话框中,创建一个网络,包括以下内容:

     l Face Nodes: 6
     l Internal Nodes: 1
     l Resistance Links: 6
    

alt text 4. 对于内部节点,定义以下参数:

    l Power: 10 W
    l Mass:0.001 kg
    l Specific Heat: 1000 J_per_Kelkg
  1. 对于电阻链接,定义 Thermal Resistance 为5 cel_per_w。
  2. 单击“确定”。

创建块和网络的副本

  1. 在历史树中,展开Model > Solids > Al-Extruded。
  2. 右键点击block_2,选择 Edit > Duplicate > Along Line。
  3. 输入0.08 ,0 ,0作为在X方向复制器件的方向。
  4. 在“DuplicateAlongLine ”对话框中,输入4作为Total Number。
  5. 将 Unit 更改为 meter。
  6. 点击确定。复制的几何图形已创建,并分配了边界条件。

创建空心块

要从计算域中切出柜子的一部分,创建一个空心块。这表示一个区域,该区域不会直接影响通过固体传导的热传递,但确实会改变该区域周围的流动模式。为了演示局部坐标系的创建,创建一个局部坐标系并使用它来定位空心块。

创建本地坐标系
  1. 在“Modeler”菜单中,选择“Coordinate System > Create > Relative CS> Offset”。
  2. 按F4键显示“ Set Origin ”对话框。
  3. 输入0.1米作为X偏移。

alt text 4. 单击“确定”。 5. 在历史记录树中,注意RelativeCS1坐标系现在是工作坐标系,用字母W表示。 alt text

创建空心块

将局部坐标系设置为工作坐标系,创建空心块。

  1. 从“ Draw ”菜单中,选择“Box”。

注:如果显示“CreateBox”对话框,请按F3键进入点绘图模式。

  1. 在CreateBox对话框中,定义以下尺寸参数和单位:

     l Position: 0 ,0.01 ,0 meter
     l XSize: 0.15 meter
     l YSize: 0.09 meter
     l ZSize: 0.07 meter
    
  2. 在 Attribute 选项卡上,定义以下参数:

     l Name: block_3
     l Material: Al_Extruded
     l Solve Inside: Disabled
     l Transparent: 1
    
  3. Click OK.

创建散热器

创建详细的散热器和粘合板。散热器底座充当所有IC芯片的扩散器

创建散热器
  1. 在“History ”树中,单击“Global ”以将全局坐标系设置为工作坐标系。

  2. 在“ Project Manager ”中,右键单击“3D组件”,然后选择“Create > Heatsink ”。

  3. 在“ Heatsink Component ”对话框的“ Geometry ”选项卡中,定义以下参数:

     l Plane: ZX
     l Overall height: 0.06 meter
     l Base Length: 0.13 meter
     l Base Width: 0.29 meter
     l Base Height: 0.01 meter
     l Fin Type: Extruded
     l Fin Flow Direction: X
     l Fin Count: 8
     l Fin Thickness: 0.008 meter
    
  4. 在“ Heatsink Component”对话框的“ Properties ”选项卡中,将“散热器基体实体材料/Heatsink Base Solid Material”定义为“纯铜/Cu-Pure”。

  5. 单击“确定”。

  6. 在“历史树”中,展开“Heatsink1”。

  7. 右键单击“Heatsink1_1”,选择“Edit > Arrange > Move”。

  8. 在“Move”对话框中,输入Move Vector 为 0.195 ,0.03 ,0.165 meter.。

  9. 单击“确定”。

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创建销钉连接板

为每个引脚键合板绘制矩形几何图形。这些板的尺寸与底部引脚面相同。

  1. 在历史树中,展开Model > Heatsink1 > Heatsink1_1 > Solids > Al-Extruded.。
  2. 使用Shift键可同时选择所有Heatsink1针脚几何图形。
  3. 在3D建模窗口中,右键点击并 View > Show Only Selection。
  4. 在“View”功能区上,从“Orient”下拉列表中选择“Dimetric”。
  5. 单击“Fit All”以放大散热器引脚几何图形。
  6. 从“Draw”菜单中,选择“矩形/Rectangle”。

注:如果显示CreateBox对话框,请按F4。

  1. 在 “3D模型”窗口中单击鼠标右键,然后设置以下选项:

     l Movement Mode: 3D
     l Grid Plane: XZ
    
  2. 点击顶部图钉左上角,如下图所示。 alt text

  3. 然后单击下图中显示的相同图钉的右下角。 alt text

  4. 对其余七个销钉重复步骤6至9。 alt text

  5. 在“历史”树中,展开“Model > Sheets > Unassigned”。

  6. 右键单击“Unassigned”,选择“Select All”。

  7. 在“三维建模器”窗口中,右键单击并选择“Assign Thermal > Plate > Conducting”。

  8. “Conducting Plate Thermal Model”对话框中,定义以下参数:厚度:0.0002米;壳体导热:启用;侧规格:低侧和高侧启用。

    l Thickness: 0.0002 meter   
    l Shell Conduction: Enabled
    l Side specification: Low side and High side enabled
    
  9. 单击“确定”。

  10. 在“三维建模器”窗口中,右键单击并选择“View > Show All”。

  11. 在“ View ”功能区上,单击“Fit All”。

查看设计列表

显示设计列表,以查看模型几何和热边界条件分配。

  1. 在Icepak菜单中,选择“List”。
  2. 在“ Model ”选项卡上,查看模型几何。 alt text
  3. 单击“Thermal”选项卡,查看边界条件分配。 alt text

3-分配网格区域

要生成风扇和外壳中的更精细网格,请创建两个网格区域。第一个网格区域由射频放大器组成;第二个网格区域仅由风扇组成。

创建射频放大器网格区域

射频放大器由模块和散热器组成。首先创建一个非模型框,以包含所有组件。

创建非模型框

非模型几何没有热或材质分配,可用于将网格区域分配给自定义形状。

  1. 从“绘制”菜单中选择“盒子”。

  2. 按F4键显示“创建盒子”对话框。

  3. 在“创建盒子”对话框中,定义以下尺寸参数和单位:

     l Position: 0.045 ,0.005 ,0.095 meter
     l XSize: 0.31 meter
     l YSize: 0.09 meter
     l ZSize: 0.14 meter
    
  4. 在“属性”选项卡上,定义以下参数:

     l Name: blocks_heatsink_meshregion
     l Model: Disabled
     l Transparent: 1
    
  5. 单击“确定”。

将网格区域指定到非模型框

  1. 在“历史记录”树中,展开“Model > Solids > Non-Model”。
  2. 右键单击 blocks_heatsink_meshregion并选择“Assign Mesh Region.”。
  3. 在“Mesh Region”对话框中,输入Blocks_Heatsink 作为 Name。
  4. 在“Auto Mesh Setting ”下,将滑块移动到“Fine/Large”位置。
  5. 单击“确定”。

将网格区域指定给风扇组件

  1. 在“ Project Manager”下的“ 3D Components ”中,选择Fan1_1。
  2. 在“3D Modeler ”窗口中,右键单击并选择“Assign Mesh Region ”。
  3. 在“Mesh Region ”对话框中,输入“Fan”作为名称/Name。
  4. 在“Auto Mesh Setting”下,将滑块移动到“精细/大/Fine/Large”位置。
  5. 在Slack下,输入以下Slack设置:
  6. Click OK. alt text

注:对于Y和Z轴的松弛设置,您可以输入正方向或负方向,并启用同步以将相同设置应用于两个方向。

4-生成并显示网格

创建网格区域后,生成并显示网格。同时,通过检查面对齐来检查网格质量。

生成网格

  1. 在Project Manager中,右键单击 Mesh 并选择Generate Mesh。网格化过程完成后,会自动出现 Mesh Visualization 对话框。
  2. 在“Mesh display on”下的“Mesh Visualization”对话框中,启用“Show”并选择“Geometry/Boundary selection”。
  3. 在历史树中,右键单击 Model 并选择 Select All。
  4. 在 View 功能区中,从 Orient 下拉列表中, 选择正面/Front。

显示网格

  1. 在“Mesh display on”下的“Mesh Visualization”对话框中,启用“Show”并选择“Geometry/Boundary selection”。
  2. 在“历史树”中,右键单击“Model”,然后选择“ Select All”。
  3. 展开“Model > Solids > Non Model”。
  4. 使用Ctrl键取消选择“blocks_heatsink_meshregion”。
  5. 在“ Mesh Display ”选项卡下,从各个方向进行平面切割,检查网格。

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检查网格质量

  1. 在“Mesh Visualization”对话框中,单击“Quality”选项卡并检查面的对齐情况
  2. Click Close.

注:由于不同机器之间的差异,数字可能与下图中的数字不完全相同。

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注:此图显示了单元格计数与面对齐之间的关系。未对齐的相邻网格面可能导致长而窄的元素。值为1表示完全对齐。小于0.15的值表示网格严重扭曲。

5-定义模拟设置

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方向上的重力。
  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 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 温度/Temperature 和 流量/Flow 的选择。
  4. 在Flow Regime 下,选择 湍流/Turbulent 并点击 Options。在 湍流流动模型/Turbulent Flow Model 对话框中,保留Zero Equation 选择并点击确定。
  5. 在 辐射模型/Radiation Model 下,保留关闭选择以忽略因辐射引起的热传递。

alt text 6. 单击“确定”。 7. 在“ File ”菜单中,单击“ Save ”。

6-创建监控点

在运行模拟之前,为block_1和Grille_1创建热监测器流量监测器

创建热监测器

  1. 在历史树中,展开“Model > Solids > Al-Extruded”。
  2. 右键单击block_1并选择“Assign Monitor > Point”。
  3. 在“Monitor Setup ”对话框中,输入Block_temperature作为名称/Name。
  4. 展开“Thermal”并选择“Temperature”。
  5. 单击“确定”。

创建流量监视器

  1. 在“Thermal”下的“Project Manager”中,右键单击Grille_1并选择“Select Assignment”。
  2. 从“Icepak”菜单中,选择“Monitor > Assign > Point”。
  3. 在“Monitor Setup”对话框中,输入Grille_speed作为名称/Name。
  4. 展开“Flow”,然后选择“Speed”。
  5. 单击“确定”。

7-设置并运行参数试验

设置参数试验

使用分配给风扇组件位置的$zc变量定义参数试验。

  1. 在Project Manager 中,右键单击“优化/Optimetrics”并选择“Add > Parametric”。
  2. 在“Setup Sweep Analysis”对话框中,单击“Add”。
  3. 在“Add/Edit Sweep”对话框中,选择“Single value”。
  4. 输入0.1米作为“值/Value”,然后单击“添加”。
  5. 输入0.165米作为“值/Value”,然后单击“添加”。
  6. 单击“确定”关闭“Add/Edit Sweep”对话框。
  7. 单击“Table”选项卡以显示试验中要执行的两个扫掠。
  8. 单击“Options”选项卡并启用“Save Fields and Mesh”。这样,您就可以在显示后处理对象时,在变化数据之间进行切换。
  9. 单击“确定”。 alt text

运行参数试验

  1. 在“Project Manager”中,展开“Optimetrics”。
  2. 右键单击“ParametricSetup1”,然后选择“Analyze”。
  3. 在“Project Manager”中,展开“Analyze”。
  4. 右键单击“Setup1”,然后选择“Residual”以在试验运行过程中监视残差。

注:当模拟完成时,消息窗口中显示一条消息,说明“参数分析已完成”。

  1. 单击“Thermal Monitor”和“Flow Monitor”选项卡,以查看0.1米设计变化 alt text
  2. 单击[...]按钮,并在“ Set Design Variation ”对话框中选择0.165米变化。
  3. 单击“Residual, Thermal Monitor和Flow Monitor”选项卡,以查看0.165米设计变化。

注:使用下图中的导航箭头查看每个选项卡。 alt text 注:在“Thermal Monitor”选项卡上,注意第二个变化位置的风扇冷却效率更高。

8 - Post-process the Results

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:

    l平面切割视图
    l对象表面视图
    l字段摘要报告

创建平面切割

使用“切割平面”工具包创建切割平面,绘制切割速度。当前设计变体设置为原始风扇偏移位置($zc = 0.1米)。

创建平面切割

  1. 在Icepak菜单中,选择Toolkit > Reporting > Cut_Plane。
  2. 在Plane Location下,选择Z Plane through Center。
  3. 选择Show Vectors。
  4. 单击Create。
  5. 单击Exit。 alt text
  6. 在“项目管理器”中,展开“Field Overlays”> CutPlane_1_Vector。
  7. 右键单击“Velocity_Vectors1”,然后选择“Plot Visibility”以隐藏平面切割。

创建对象字段覆盖层

在墙上创建温度图。当前设计变化设置为原始风扇偏移位置($zc = 0.1米)。

Wall 和Blocks 上的温度曲线

  1. 在历史树中,展开Model > Solids and FR-4。

  2. 右键点击Al-Extruded并选择Select All。

  3. 按住Ctrl键并选择FR-4下的wall_1。

  4. 在3D建模器窗口中右键点击并选择 Plot Fields > Temperature > Temperature。

  5. 在Create Field Plot对话框中,保留 温度/Temperature 选项作为 Quantity。

  6. 使能 Plot on surface only 。

  7. 点击完成。 alt text

  8. 在“Project Manager ”中,展开“Field Overlays > CutPlane_1_Vector”。

  9. 右键单击“Velocity_Vectors1”,然后选择“ Plot Visibility ”以显示两个后处理对象同时出现

切换设计变更

在对初始设计变更的平面切割和场地规划结果进行审查之后,更改设计变更以查看替代风扇位置的结果。

  1. 在“Project Manager”中展开“Optimetrics”。
  2. 右键单击“ParametricSetup1”并选择“View Analysis Result”。
  3. 在“Post Analysis Display”对话框中,选择“0.165米”变化并单击“应用/Apply”
  4. Click Close.

alt text

创建字段汇总报表

创建对象特定解决方案数据的字段摘要报告。字段摘要报告可以提供有关特定模型边界条件或对象的解决方案的物理信息。

  1. 从Icepak菜单中,选择“Fields > Create Fields Summary”。
  2. 在“Fields Summary”对话框中,对于“Design Variation”,选择“$zc=0.1meter”。
  3. 在“Setup Calculation”对话框中,选择“Object”作为“Entity Type”。
  4. 在“Entity”列表中,选择所有Block对象。

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。

  1. 在 Quantity 列表中,选择 Temperature。
  2. 从 “Add”下拉列表中,选择“Add As Single Calculation”。 alt text
  3. 在“Fields Summary ”对话框中,对于“Design Variation ”,选择“$zc=0.165”。 alt text

注:注意$zc=0.165meter变化中的最低最高和平均温度

9-总结

在这个教程中,你学习了如何设置和解决多个试验以优化参数,指定动态更新的风扇曲线,创建新的局部坐标系,以及使用独立的网格区域来减少网格数量。还演示了如何使用网络块建模包裹体,以及如何通过块对象的侧面规格指定接触阻力。此外,你还学会了如何生成多个解的汇总报告。

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