4. Основы мультифизического моделирования

Мы рассмотрели работу в прикладных режимах теплоперенос и диффузия. На практике приходится сталкиваться с более сложными задачами, в которых приходится искать не просто решение одной системы дифференциальных уравнений в частных производных, в виде поля скоростей, концентраций и температур, где начальные и граничные условия определены. А задачи где физические свойства, начальные и граничные условия зависят от решения другой системы, так же связанной с первым решением. К примеру задача, где поле температур зависит от поля скоростей теплоносителя, а поле скоростей определяется из температуры теплоносителя. Для таких задач в программе COMSOL Multyphysics предусмотрен режим мультифизического моделирования. В этой главе приведены последовательности действий для создания таких моделей в двумерном и трехмерном вариантах. Далее будут рассмотрены модели где связаны уравнения теплового баланса и Навье-Стокса.

4.1. Конвективное охлаждение микросхем

Модели, обсуждаемые в этом разделе, описывают воздушное охлаждение кассетных конструкций с источниками тепла в виде микросхем. Рассматривается два примера изображенных на рисунке 4.1: Вертикально расположенные платы, охлаждающиеся с помощью естественной конвекции и горизонтально расположенные платы с вынужденной конвекцией (охлаждение с помощью вентилятора).

Рис. 4.1. Кассетная конструкция с внутренними источниками тепла.

Линия A представляет центральную линию ряда микросхем, и область между линиями A-B на плате симметрична.

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.

Вместо упрощения уравнений, существует альтернативный путь для более точного описания конвективной теплоотдачи – это модель учитывающая теплоперенос в комбинации с полем скоростей. Следующие учебные модели теплопереноса в монтажных платах используют два прикладных режима: General Heat Transfer и Non-Isothermal Flow. Первый пример моделирует естественное охлаждение в вертикально расположенной кассетной конструкции, изображенной на рис.4.1.

Рис.4.2. Моделирование двумерной геометрии (a), и трехмерной геометрии (b).

В процессе моделирования удобно для начала рассчитать упрощенную двумерную модель для случая естественной конвекции. Рассчитываемый элементарный объем занимает место от дна платы до дна следующей платы, и проходит через центр ряда микросхем (как изображено линией A на рис.4.1). А уже потом создать трехмерную модель этого же элементарного объема. Рисунок 4.2 изображает два варианта геометрии для случая естественной конвекции.

Геометрические параметры модели:

• Плата: длина (в направлении потока) 0.13 м, толщина 0.002 м

• Микросхемы: длина и ширина 0.02 м, толщина 0.002 м

• Ширина воздушной прослойки между платами 0.010 м

Для случая вынужденной конвекции, трехмерная модель устанавливается поворотом геометрии изображенной на Рисунке 2 (b) так, чтобы платы оказались расположены горизонтально.