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热设计和热分析的基础知识 - 一份培训资料  

2010-11-23 08:15:06|  分类: ANSYS 热分析 |  标签: |举报 |字号 订阅

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概述:为什么要进行热设计
    在许多现代化产品的设计,特别是可靠性设计中,热的问题已占有越来越重要的地位:
    电子产品:高温对电子产品的影响:绝缘性能退化;元器件损坏;材料的热老化;低熔点焊缝开裂、焊点脱落。从而导致整个产品的性能下降以至完全失效。这对于无论民用或军用产品都是一个重要问题。
    航天产品,如卫星、载人飞船等,对内部温度环境有非常严格的要求;再如宇航员的装备,既要保证宇航员的周围环境,又要灵活、轻便。对于处于宇宙环境中的产品还要考虑超低温的影响等。
    建筑方面:环保和节能的要求,冬季的保温和夏季的通风、降温等。
    各种家电产品自身的热设计和对周围环境的影响。
    实际上,热设计并不是什么新的东西,在日常生活中,在以往的产品中,都有意无意的使用了热设计,只是没有把它提高到科学的高度,仅仅凭经验在做:
    比如:在电子产品的设计中,如何合理的布置发热元件,使其尽量远离对温度比较敏感的其它元器件;合理的安排通风器件 (风扇等),通过机箱内、外的空气流动,使得机箱内部的温度不致太高;
    建筑方面:生产厂房中如何合理安排通风和排气设备,以及空调、暖气设备等,以达到冬季的保温和夏季的通风、降温要求,为工人提供一个较为舒适的工作环境。家居方面,则通过暖气、风扇、空调等为居民提供一个较为舒适的生活环境。
    各种载人的交通工具,如汽车、火车、飞机等也都需要考虑如何为乘客提供舒适的环境。
    所有这些,说到底都是与热设计有关的问题,过去要求不高,凭经验就可以基本满足要求。但是,随着技术的进步,要求越来越高,光凭经验就不够了。

1.1  热设计的目的:     
        根据相关的标准、规范或有关要求,通过对产品各组成部分的热分析,确定所需的热控措施,以调节所有机械部件、电子器件和其它一切与热有关的组份的温度,使其本身及其所处的工作环境的温度都不超过标准和规范所规定的温度范围。
    对于电子产品,最高和最低允许温度的计算应以元器件的耐热性能和应力分析为基础,并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。
    对于航天产品,必须同时考虑严酷的空间环境 (超低温 -269?C、太阳辐射、轨道热等) 和内部的热环境,尤其是载人航天器,其热设计的要求也更加复杂和严格,难度也更大。

1.2  热设计的基本问题
1.2.1  发生和耗散的热量决定了温升,因此也决定了任一给定
结构的温度;
1.2.2  热量以生热 (其它能量形式->热能)、导热、对流及辐射进
行传递,每种形式传递的热量与其热阻成反比;
1.2.3  热量、热阻和温度是热设计中的重要参数;
1.2.4  所有的热控系统应是最简单又最经济的,并适合于特定的电气和机械、环境条件,同时满足可靠性要求;
1.2.5  热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计同时进
行,当出现矛盾时,应进行权衡分析,折衷解决;
1.2.6  热设计中允许有较大的误差 源于各种热条件的不确定性,例如同类电子元器件,其热耗的分散性;空气的湿度使得对流换热的效果有较大不同;
1.2.7  热设计应考虑的因素:包括
      结构与尺寸
   系统各组成部分的功耗
      
产品的经济性
   与所要求的结构和元器件的失效率相应的温度极限 (对于载人航天还要考虑人能忍受的极限条件)
   结构和设备、电路等的布局
   工作环境  (外部环境和内部环境
)

1.3  热设计应遵循的一些原则 (主要针对电子产品)
1.3.热设计应与电气设计、结构设计同时进行,使热设计、结构设计、电气设计相互兼顾;
1.3.热设计应遵循相应的国际、国内标准、行业标准;
1.3.热设计应满足产品的可靠性要求,以保证整个产品均能在设定的热环境中长期正常工作。
1.3.每个元器件的参数选择及安装位置及方式必须符合散热要求;
1.3.在进行热设计时,应考虑一定的设计余量,以免使用过程中因工况发生变化而引起的热耗散及流动阻力的增加。
1.3.6  在规定的使用期限内,热控系统(如风扇、加热器等)的故障率应比元件的故障率低;
1.3.热设计应考虑产品的经济性指标,在保证热控要求的前提下使其结构简单、可靠且体积最小、成本最低;
1.3.热控系统要便于监控与维护。


热设计的基本知识
2.1某些基本概念
 (1) 
温升
  指产品内部空气温度或结构、零部件、元器件温度与环境温度的差。
 (2)  热耗
  指电子元器件或设备正常运行时产生的热量。热耗不等同
于功耗,功耗指器件或设备的输入功率。
    一般电子元器件的效率比较低,大部分功率都转化为热量。计算元器件温升时,应根据其功耗和效率计算热耗,知道大致功耗时,对于小功率设备,可认为热耗等于功耗,对于大功耗设备,可近似认为热耗为功耗的 75%。其实为给设计留一个余量,有时直接用功耗进行计算。但注意电源模块的效率比较高,一般为 70%~95 %,对同一个电源模块,输出功率与输入功率之比越小,效率越低。
    热耗的单位为 W
 (3)  热流密度
  单位面积上的传热量,单位 W/m2
 (4)  热阻
       热量在热流路径上遇到的阻力,反映介质或介质间的传热能力的大小,定义为 1W 热量所引起的温升大小,单位为 / W K / W
。用热耗乘以热阻,即可获得该传热路径上的温升。
 (5) 
导热系数
    表征材料导热性能的参数指标,它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的导热量 (热量从高温区域流向低温区),单位为 W/m ·K ·W/m ·℃。
 (6)  对流换热系数
       反映两种介质间对流换热的强弱,表明当流体与壁面的温差为 1 ℃时,在单位时间通过单位面积的热量,单位为 W/m ·K W/m ·  (热量从高温物体流向低温物体)
 (7)  层流与紊流(湍流)
      层流指流体呈有规则的、有序的流动,换热系数小,热阻
大,流动阻力小;
      紊流指流体呈无规则、相互混杂的流动,换热系数大,热阻小,流动阻力大。层流与紊流状态一般由雷诺数来判定。在热设计中,尽可能让热耗大的关键元器件周围的空气流动为紊流状态,因为紊流时的换热系数会是层流流动的数倍。
 (8)  流阻
      反映流体流过某一通道时所产生的静压差。单位 - 帕斯卡 (Pa)
 (9)  黑度
     实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比,在 0~1 间。它取决于物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色。表面粗糙,无光泽,黑度大,辐射散热能力强。
 (10) 雷诺数 Re (Reynlods)
     雷诺数的大小反映了空气流动时的惯性力与粘滞力的相对大小,雷诺数是说明流体流态的一个相似准则数。
 (11)  普朗特数 Pr (Prandtl)
     普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则数。空气的Pr
数可直接根据定性温度从物性表中查出。
 (12)  努谢尔特数
Nu(Nusseltl) 
    反映出同一流体在不同情况下的对流换热强弱,是一个说明对流换热强弱的相似准则数。

    2.2  热量传递的基本方式
     简单考虑流体情况下的正交异性瞬态热分析的基本方程:
                热设计和热分析的基础知识  - 一份培训资料 - htbbzzg - htbbzzg的博客  
    其中:
        T 温度 T(x,y,z,t) (K C)    t 时间 (s)
       ρ- 密度 (kg / m3)
        c 比热 (J / kg / K)
        Kx,Ky,Kz 三个方向的导热系数 (W/m · K W/m · )
        Vx,Vy,Vz 三个方向的热质量迁移速度 (kg / s)
        q - 单位体积的生热率 (W / m3)

热流传递方式:
    热量传递主要有三种方式:导热、对流和辐射,它们可以单独出现,也可能两种或三种形式同时出现。
  (1) 导热:
  导热是在连续介质中由于存在温度梯度所产生的传热现象。对于一块厚度 L 的平板,若两表面保持温差 ΔT,则平板两表面间的热流为:
            q = λ·A ·ΔT ·L = A ·ΔT / R           (2-2)
                   λ--- 导热系数,W/m · K W/m · ℃;
            A ---  导热方向上的截面面积,m2
               R ---  导热热阻 (1 / λ/ L), /W
  根据方程的形式,可以看出,要增加热量传递 q,可以增加导热系数,选用导热系数高的材料;增加导热方向上的截面积;减小导热方向上的距离。
    当传递的热量一定时,增加导热系数、截面积或两个表面的距离,将使温差减小。

  (2) 对流的基本方程:
  对流是由固体与流经其表面的流体之间存在的温差产生的换热现象。流入固体表面的热流为:
               q = h·A ·(Ta-Tw)                     (2-3)
                h ---  对流换热系数,W/m2 · K W/m2 · ℃;
          A ---  有效对流换热面积,m2
           tw --- 固体表面温度,℃
               ta ---  周围介质温度,℃          
  由方程可见,要增强对流换热,可以加大换热系数和换热面积,或增大流体与固体之间的温差。
    对流换热的方式又可分为自然对流换热和强迫对流换热。

    (3) 辐射的基本方程:
      两个相互发生辐射的表面之间的辐射热交换为:
          热设计和热分析的基础知识 (1) - 一份培训资料 - htbbzzg - htbbzzg的博客
      其中:
                    εi,εj --- 分别为两个表面黑度系数;     
                       Fij --- 表面 i 到表面 j 的视角系数。即表面 i 向空间发射的辐射落到表面 j 的百分数。
                       AiAj --- 分别为物体 ij 的有效辐射面积,m2      
                    Ti, Tj --- 分别为物体 i 和物体 j 表面的绝对温度,K
            σ --- Stefan-Boltzmann 常数
  由方程可见,要增加辐射换热,可以提高热源表面的黑度和到冷表面的视角系数,增加表面积。
    关于视角因子:
      面 Ai  面 Aj 之间的视角因子定义为:
             热设计和热分析的基础知识  - 一份培训资料 - htbbzzg - htbbzzg的博客 
        其中:
          AiAj  两个表面的面积;分割为若干小面积 dAidAj
          NiNj - 小面积 dAidAj 的法线;
          r - 小面积 dAidAj 的距离;
          θiθj – 小面积 dAidAj 的法线与 r 的夹角。

2.3 增强热传递的方式
    以下一些具体的热传递增强方式就是根据基本传热方程来增加热的传递,反之则可以减少热的流失:
    (1) 增加有效传热面积;
    (2) 增加流过表面的风速,从而增大对流换热系数;
    (3) 增加扰动,破坏层流边界层,而紊流的换热强度是层流的数倍。如换热壁面上的不规则凸起可以破坏层流状态,加强换热;针状散热器和翅片散热器的换热面积一样,而换热量却可以增加30%
    (4) 尽量减小导热界面的接触热阻。在接触面可以使用导热硅胶(电绝缘性能好)或铝箔等材料。
    (5) 设法减小热阻。如在屏蔽盒等封闭狭小空间内的器件主要通过空气的受限自然对流和导热、辐射散热,由于空气的导热系数很小,所以热阻很大。如果将器件表面和金属壳内侧通过导热绝缘垫接触,则热阻将大大降低,可减小盒内器件的温升。
    相对而言,导热和辐射的传热方式比较单一,因此下面主要介绍两种对流换热方式 自然对流换热和强迫对流换热。


自然对流热设计        
    当发热表面温升为 40 或更高时,如果热流密度小于0.04  W / cm,则一般可以通过自然对流的方式冷却。
    自然对流主要通过空气受热膨胀产生的浮升力使空气不断流过发热表面,实现散热。这种换热方式不需要任何辅助设备,所以不需要维护,成本最低。只要热设计和热测试表明系统通过自然对流足以散热,应尽量不使用风扇。

3.1 自然对流热设计要考虑的问题
    合理全面的自然对流热设计必须考虑如下问题:
    (1) 元器件布局是否合理
    (2) 是否有足够的自然对流空间
    (3) 是否充分运用了导热的传热途径
    (4) 使用散热器。对于个别热流密度较高的元器件,如果自然对流时温升过高,可以使用散热器以增加散热表面。
    (5) 充分运用辐射的传热途径,如将高温器件的热量通过辐射传递给机箱再向外辐射。
    (6) 其他的冷却技术。如果高热流密度元器件附近的空间有限,无法安装大散热器,可以采用冷管,将热量导到其他有足够空间安装散热器的位置。
    (7)  采用热分析技术
    综合考虑上述问题时,将会有许多不同的结构布局方案,用一般的理论公式较难分析有限空间的复杂流动和换热,也难以比较方案的好坏。最好采用热设计仿真分析软件对整个结构 (包括各种设备、元器件,以至人员等) 建模、划分网格并计算,然后可以方便地改动布局方案再次计算,比较不同方案的计算结果,即可获得最佳的或满足要求的方案。
    现在已经推出了许多热分析的专用软件,水平也在不断提高。
 
 4  强迫对流换热
        当自然对流方式散热不能满足设计要求,或者虽能满足要求但散热器和机箱体积会很大时,就必须采用强迫对流的方式散热。强迫对流的最简单方式是强迫风冷,即使用风扇进行散热,采用风扇冷却可以将散热器和机箱的体积减小许多。
        风扇冷却又可分为抽风和吹风两种方式,以及选择不同的风扇等;同时还要考虑风扇的噪音等因素。比如轴流风扇在大风量,低风压的区域噪音最小;而离心风机在高风压,低风量的区域噪音最小;注意不要让风扇工作在高噪音区。此外,风扇进风口受阻挡所产生的噪音比其出风口受阻挡产生的噪音大好几倍,所以一般应保证风扇进风口离阻挡物一定的距离,以免产生额外的噪音。
        对于内部空间较小,或由于其它原因而不能采用风冷的情况,如果有可能,还可以使用其它流体进行冷却,如水冷或其它介质。

5  热设计的主要步骤
    热设计是整个系统设计的一部分,对某些系统而言,它可能占据相当重要的地位。比如在航天产品的设置中就是如此。但是,热设计又不是一个完全独立的内容,它往往与其它专 (结构设计、内部布局、电磁兼容要求等的设计耦合在一起,必须综合考虑才能使整个产品达到优异的性能。

5.1 系统分析
    通过对整个产品需求的分析,提出对热设计的要求。在热设计方面,主要考虑:
    (1)   环境条件
    不同用途的产品会遇到不同的热环境,对于航天产品,其热环境具有以下特点:
    航天器热环境的一些特点:
     a. 航天器上的设备依靠向宇宙空间的热辐射实现散热,空间环境温度为 -269 ℃,没有空气,是高真空的环境。
     b. 航天器要经受太阳的直接热辐射,行星及其卫星的反照,以及行星与卫星阴影区的深度冷却。故在航天器表面应有合适的涂层,它既可以吸收来自太阳的辐射热,又可以为航天器及内部设备提供极好的隔热。
    c.  在航天器内部,由于没有空气,导热和辐射是两种主要的热控制方法。在电子元器件允许的温度范围内,导热作用比辐射更显著。
    此外,根据载人还是不载人,宇航员在舱内是否穿宇航服,在舱内还是舱外使用等不同条件,也各有不同的热环境。
    (2)  内部设备对热环境的要求
    航天器内部往往搭载了不同类型的设备或人员,对于所处的热环境有不同的要求。其中人员对其周围热环境的要求可能是最高的,其次是电子设备,而机械设备的要求一般是最低的。此外,一些科学试验会提出各异的要求。
    只有弄清楚各类人员和设备对环境的要求,才能考虑如何来实现这些要求。
    (3)  热源分析
    为了进行热设计,必须了解可能对航天器产生影响的所有热源,包括来自外部环境的热源和内部热源 (人员、电子设备、机械设备等),进行综合考虑。
    (4)  其它设计要求对热设计造成的限制条件
    热设计与结构设计、设备布局、电磁兼容要求等常常会发生矛盾,必须全面平衡各方要求,找出兼顾各方面要求的合理方案。
    航天器的大小、重量等受到严格限制,也会给热设计带来较大困难。
    现有的技术能力也会对热设计造成很大的限制。
    可见,热设计只是整个系统工程中的一部分,满足热设计的要求不能只从热设计单方面考虑,必须在对整个系统的准确分析、对各方面因素综合考虑的基础上,提出对热设计的具体要求和制定解决热问题的基本方案。

5.2  初步热设计
    根据系统分析对热设计提出的主要要求和基本方案,接下来应该进行初步热设计,即将基本方案具体化。这项工作应该与整个系统的初步设计同步进行 (或略迟于结构设计、设备布局)。内容应当包括 (但不限于):分析确定必要的散热和/或加热需求;为实现热传递所采用的方法;是否和如何采用热控措施;与其它专业之间的协调,等。

5.3  初步热分析
    对初步热设计形成的方案进行热分析,一判断其是否能够满足系统对热设计的要求。根据分析结果可以对初步设计方案进行修正、调整。

5.4  初步试验验证
    如果有条件,可以对初步设计方案进行试验验证。
    以上内容 (5.25.4 ),是与系统的初步设计同步进行的。一般情况,在系统的初步设计完成后,会制造样机进行各项功能试验,以考核设计是否满足要求。这同时也是对初步热设计的一次考核。
    在完成系统的初步设计和考核之后,一般情况总是会对整个系统,包括热设计在内各个专业的设计,提出改进的要求。然后各个子系统应该根据这些要求改进设计,进行分析和验证,直到整个系统达到设计要求为止。

6  热分析的主要步骤
    当总体设计方案确定并完成一个具体设计之后,可以进行热分析。一般情况,热分析可以按照如下步骤执行 (主要依据 I-deas软件的 TMG 模块)
    (1)  CAD 建模,或者将结构设计人员提供的 CAD 模型转换到分析软件中。
    (2)  研究几何模型和热分析要求,确定热分析方案,包括:分析内容、网格划分方案、载荷和约束类型、计算工况、求解方法等。
    (3)  划分有限元网格:包括几何网格和热分析专用的网格;如果需要 CFD 分析,还要划分 CFD 专用的网格。
    (4)  施加载荷和边界条件。
    (5)  确定与求解有关的参数 (计算时间、步长、求解方法及响应参数选择等)       
    (6)  试算:通过试算发现问题和解决问题。
    (7)  正式计算。
    (8)  计算结果分析:分析计算结果是否合理,找出可能的问题,解决问题后重新计算。
    (9)  如果计算结果是合理的,则应根据计算结果对当前设计作出判断和修改,然后再次提交计算,直到满意为止。
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