Лабораторная работа №3

Конвективное охлаждение микросхем

Цель работы:

Решить задачу о конвективном охлаждении микросхем, где физические свойства, начальные и граничные условия зависят от решения другой системы, так же связанной с первым решением (поле температур зависит от поля скоростей теплоносителя, а поле скоростей определяется из температуры теплоносителя).

Решение:

Легче всего задать конвективный поток с помощью коэффициента теплоотдачи, h. Тогда уравнения теплопереноса очень просто решаются. Но для этого требуется, чтобы коэффициент был точно определен. Многие задачи позволяют получить удовлетворительное решение без хорошего знания h, но в таком случае получение более точного решения очень трудно достичь.

Создаём геометрию

Рис. 10 Моделирование двумерной геометрии (a), и трехмерной геометрии (b).

Устанавливаем граничные условия для потока на входе как нормальный поток (normal flow) на границе с известным полем скоростей. Для моделей естественной конвекции, установите входную скорость на ноль. Все выходы потока в моделях используют граничное условие normal flow/zero pressure. Кроме того, надо принять условие no-slip на всех поверхностях на плате и микросхемах. На входной температуре установите температуру 300 Kкомнатная температура). На выходе потока используйте чисто конвективный теплообмен. Устанавливаем боковые периодические граничные условия в отношении температуры, которые установят равные температуры на обеих границах с одним значением координаты y. В конце концов, на всех внутренних границах принимается неразрывность теплового потока и температуры.

Рис.11 Распределение температуры в двумерной модели.

Рис.12 Распределение температуры по результатам трехмерного

моделирования.

Вывод: Результаты решения двумерной модели показывают, что температура верхних микросхем больше, чем температура нижних. Так перегрев самой нижней составляет всего 30 K, а верхней более 90 K. Это связано с тем, что часть потока уходящего с источника тепла (мощность каждой микросхемы 1 Вт) попадает на верхние микросхемы. Так же можно видеть, что такая же ситуация и на противоположной стенке, которая представляет собой дно следующей платы. Это также вносит свой вклад в нагрев последних микросхем. Результат трехмерного расчета более точен, так как учитываются расстояния между микросхемами по горизонтали. Максимальная скорость в трехмерном расчете так же выше, чем в двумерном. Так же более важно, что в трехмерной модели учитываются вертикальные каналы между микросхемами.

Лабораторная работа №4

Biomedical Stent

Introduction

Percutaneous transluminal angioplasty with stenting is a widely spread method for the treatment of atherosclerosis. During this procedure a stent, which is a small tube like structure, is deployed in the blood vessel by using a balloon as an expander. Once the balloon-stent package is in place in the artery, the balloon is inflated to expand the stent. The balloon is then removed, but the expanded stent remains to act as a scaffold that keeps the blood vessel open.

Stent design is of significance for the procedure, since damage can be inflicted on the artery during the expansion process. One way this may happen is by the non-uniform deformation of the stent, where the ends expand more than the mid parts, which is also called dogboning. Foreshortening of the stent can also be damaging to the artery, and it can make the positioning difficult.

The dogboning is defined according to

where rend and rmid are the radii at the end and middle of the stent, respectively.

The foreshortening is defined as

where Lorig is the original length of the stent and Lload is the deformed length of the stent.

To check the viability of a stent design, you can study the deformation process under the influence of a radial pressure which expands the stent. With a model you can easily monitor both the dogboning and foreshortening and draw conclusions on how to change the geometry design parameters for optimum performance.

Model Definition

Due to the circumferential and longitudinal symmetry of the stent, it is possible to model only one twenty-fourth of the geometry. But, for easier visualization of the deformation you can use one quarter of the geometry in the model.

Рис.13 One quarter of the stent geometry.

Рис.14 Deformed shape plot of the total displacement of the stent after unloading

Рис.15 Diameter increase in the middle of the stent versus the load parameter.

Рис.16 Dogboning versus the load parameter.

Вывод: произвели расчёт биомедицинского стента методом конечных элементов. Определили напряжения и деформации в стенте.