Проблемы теплопереноса и гидроаэродинамики в современных изделиях

20.02.2017

Примеры изделий, где анализ теплопередачи и потоков является крайне важным для улучшения работы

Вместе с улучшением потребительских товаров возникают все новые проблемы тепловыделения, теплопередачи и аэродинамики. То же самое относится практически ко всем проектируемым изделиям. Например, смартфонам, планшетам и умным часам необходим аккумулятор большой емкости. С другой стороны, более плотный монтаж электронных компонентов и все более тонкие и маленькие устройства подвержены перегреву и даже риску возгорания. Например, литий-ионный аккумулятор Samsung Galaxy Note 7 был плотно упакован в корпусе смартфона. Аккумулятор был сжат в правом верхнем углу, что приводило к короткому замыканию электродов и их перегреву.

Подобные ошибки в сочетании с требованиями к более быстрым, тонким и малым устройствам ужесточают нормативные требования не только к проектированию, но и к испытаниям и сертификации. Плотная компоновка тонких смартфонов повышает сложность теплоотвода от микросхем, дисплея и аккумулятора. Поэтому инструменты, позволяющие решать эти сложные задачи, необходимы для проектировщиков, и применять их следует уже на ранних стадиях проектирования.


Тепловыделение, теплопередача, принудительное охлаждение – основные аспекты при проектировании «умных» устройств

Еще один пример – пылесос. Как правило, их сравнивают по мощности всасывания. Поэтому в последнее время стали так популярны пылесосы-циклоны, которые не теряют своей мощности со временем. Чтобы получить лучший в своем классе продукт, будь то самый мощный пылесос или тонкий и безопасный смартфон, проектировщикам нужно оптимизировать геометрию для теплопередачи и потоков, в том числе газовых.

Теплопередача

Расчет теплопередачи – одна из задач в процессе проектирования, где у конструкторов есть множество способов улучшить работу изделия в допустимом температурном диапазоне:
  • использование более дорогих материалов с лучшими тепловыми свойствами;
  • увеличение площади поверхности для лучшей теплопередачи во внешнюю среду;
  • применение принудительного охлаждения вместо естественной конвекции;
  • использование более эффективных потоков, например, водяных вместо воздушных.
Однако у применения этих способов есть свои побочные эффекты:
  • дополнительные расходы;
  • увеличение массы и габаритов;
  • увеличение потребления энергии;
  • непрактичность (например, водяное охлаждение для пылесоса или смартфона).

Компромисс между лучшей производительностью и нежелательными эффектами является очень важным решением.

Аэродинамика


Для увеличения КПД и уменьшения шума транспорта, в том числе этого работающего на электричестве Greenpower Challenge, применяется аэродинамический анализ

Задачи аэродинамики необходимо решать для множества видов изделий, от самолетов и автомобилей до лопастей домашних вентиляторов, воздуховодов кондиционеров и кулеров компьютеров.

Анализ потоков позволяет спроектировать компонент таким образом, чтобы воздушные потоки проходили без существенных потерь энергии и обеспечивали желаемую производительность.

Лучшее проектирование

Конструкторы, которые работают в Solid Edge от компании Siemens PLM Software, теперь могут использовать FloEFD для Solid Edge от компании Mentor Graphics. Такое сочетание позволяет быстро подготовить и проанализировать CAD модель на теплопередачу и аэродинамику без необходимости преобразования данных и подготовки отдельной модели. Анализ позволяет разработчикам определить, подвержены ли их конструкции турбулентности, вихрям и другим эффектам, снижающим производительность.

С помощью FloEFD можно увидеть потоки жидкости и газа, распределение температуры, скорость и направление потока и другие параметры, для любой части изделия. Такая визуализация позволяет инженерам понять, в каких проблемных областях следует провести изменения для улучшения работы изделия.

Эта статья – первая из серии, посвященной задачам теплопередачи и гидроаэродинамики, решению FloEFD для Solid Edge от Mentor Graphics и подробному обзору процесса проектирования, позволяющему провести и применить анализ на ранних стадиях.

Перевод статьи блога Siemens PLM Software Community.
Оригинал статьи: «Modern designs bring new heat transfer and fluid flow challenges»

Перевод подготовил:
Павел Демидов,
ЗАО "Нанософт",
продакт-менеджер департамента дистрибуции,
e-mail: demidov@nanocad.ru