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在 Icepak 中建立一款太阳花散热器模型的介绍(章飞)

Icepak 软件是一款专业的热分析软件 , 它拥有强大的建模功能 , 可以用来建立几何形体复杂的模型 .
Icepak 软件所用的非结构化网格技术可以支持四面体、五面体、六面体、柱体以及混合网格类型 , 网格参数完全由用户自行控制，如果需要对某个特征实体加密网格，也不会影响到其它对象。而且 Icepak 软件使用的是功能强大 , 基于有限体积方法 (Finite Volume Method) 与非结构化网格的 FLUNT 求解器 , 可以使计算更精准 , 过程费时更少 , 也更容易收敛 . 这两点是其它热分析软件所望尘莫及的 .
现通过对一款 140FIN 太阳花散热器建模过程的介绍 , 来描述如何在 ICEPAK 中建立复杂的几何形体 , 然后求解运算 . ( 因篇幅所限 , 本文并未对建立以下模型的每一个具体步骤都作详细的说明 , 适用对象为那些对 ICEPAK 已经有了初步掌握的读者 .)

上图是一款解 89W 功率 Intel CPU 的铝挤塞铜太阳花散热器 . 其铝挤型鳍片结构复杂 , 呈放射状分布 , 鳍片密集且有分叉 .
尽管如此 , 仍然可以用 ICEPAK 对其建立模型 , 在边界条件输入正确 , 网格划分良好的前提下 , 是可以求解收敛的 . 如下图 :

现将自己建立这款模型的具体步骤介绍如下 :
1. 先在 PRO_E 中建立太阳花铝挤型的 3D 实体模型 , 然后将其存成 IGES 文档 ;

2. 打开 ICEPAK 软件 , 并用 FILE 菜单栏的 IMPORT 功能导入上一步骤建立的 IGES 文档 ;

3. 片刻后 , ICEPAK 便可导入 3D 模型轮廓如下 . 此轮廓是在以后建立各个鳍片时 , 对每片鳍片的各个节点进行准确定位的参照 :

4. 将上图轮廓的位置调整到上视图如下 , 然后沿着此太阳花鳍片的轮廓逐片地用建模工具 B
LOCK 中的多边型来建立模型 ;

5. 如图所示 , 要在 ICEPAK 中建立一个带分叉的鳍片 , 须要建一个带 12 个节点的多边形来表示 ;

多边型的节点用左上图中的 ADD 键来添加 , 每点击一次 ADD 键 , 就可以添加一个节点 ; 同时多边型的节点是可以用 SHIFT+ 鼠标右键来点选的 , 然后在按住 SHIFT+ 鼠标右键的同时移动鼠标就可以拖动被点选的多边型节点 . 这样两种方法并用 , 我们就可以在 ICEPAK 中建出复杂的模型来 .
6. 先在 ICEPAK 中建立一个多边型 ( 图中三角型所示 ), 设置材质为铝挤 , 并使多边型的平面与散热器的上下平面平行 , 将多边型的高度设为太阳花鳍片的高度 , 用 ADD 键逐个增加节点到 12 个 , 每增加一个节点就用 SHIFT+ 鼠标右键依顺序将它拖动到上图所示的节点位置 . 完成后的多边型鳍片如右上图所示 .
具体步骤如下 :
a. 先用 SHIFT+ 鼠标右键点选多边型的节点 , 然后移动鼠标 , 将多边型的三个节点分别拖动到鳍片的位置 , 如右下图 ;
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b. 用 ADD 键增加节点到 4 个 , 并把节点移动到相应的位置 ; C. 增加到 5 个节点 , 步骤同上 ;
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d. 增加到 6 个节点 , 步骤同上 ; e. 增加到 7 个节点 , 步骤同上 ;
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f. 增加到 8 个节点 , 步骤同上 ; g. 增加到 9 个节点 , 步骤同上 ;
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h. 增加到 11 个节点 , 步骤同上 ; i. 增加到 12 个节点 , 鳍片完成 .
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( 注意 : 在用 ADD 键给多边型增加节点时 , 注意按前面的节点顺序 , 依次序插入和移动节点 , 这样可以避免发生多边型诸节点间相互交错扭曲的情况 .)
7. 诸如这般 , 需要一片一片地给此太阳花建鳍片 , 这的确是一件费时间的手工活 ! 建好全部鳍片后的散热器形状如下 :

8. 点击 MODLE 菜单栏的 CAD DATA 选项 , 取消 SHOW UNUSED 前的勾选栏 , 便可以隐去先前导入的绿色太阳花轮廓 , 得到鳍片的模型 , 如下图 :

9. 用 BLOCK 模块的圆柱体依照实体尺寸给太阳花模型建立中间的铝芯 , 再依次建立铝芯中央的塞铜 , 与塞铜上部的空气柱模型 . ( 请注意设置铝芯的优先序高于鳍片 , 塞铜与的空气柱的优先序高于铝实心 ; 空气柱的 BLOCK TYPE 设为 FLUID, AIR);
实体效果图

10. 按风扇的各项参数在模型中建立 9025 风扇 , 紧贴铜柱的下表面建一个等面积的圆形 89W 热源 , 边界条件设为环境温度 35 度 , 前后左右及上部 Cabinet Wall Type 均为 Opening( 底部的 Cabinet Wall Type 为默认 ). 先给太阳花的所有鳍片及铝芯 , 塞铜 , 空气柱和热源建一个 Assembly, 再给整个 Cooler 建一个 Assembly. 这样可以在求解域内生成非连续性网格 , 能在不影响求解精度的前提下 , 用更少的网格来求解计算 , 节约计算资源 . 然后用网格生成器给模型划分网格 . 如下图 :

11. 划分网格后 , 需要对网格进行检查 . 从太阳花的正上方的视图检查 , 有可能会出现如下图所示 , 好几条网格线紧密地粘靠在一起的情况 . 这是由于鳍片上各个节点在 X 轴或 Y 轴上的坐标值太过接近造成的 , 这种不良网格可能会导致计算结果的不收敛 . 此时可以对相应节点的位置作微调 , 拉开一点距离 ( 这在 Icepak 建模中是允许的 ), 几番调整 -> 生成网格 -> 检查 -> 再调整的循环后 , 便可以生成质量很好的网格 ( 如上图 );

12. 在完成对模型与网格的检查后 , 就可以开始求解运算 ; ( 一般而言 , 在网格生成良好 , 边界条件输入正确的前提下 , ICEPAK 模型是可以收敛的 ). 本例的收敛曲线如下 :

13. 计算完成后 , 对太阳花散热器模型进行渲染处理 , 就可以观察散热器上的温度分布与空气流动矢量图如下 .

本文旨在通过展示用 ICEPAK 建立太阳花散热器模型的过程 , 来抛砖引玉 , 向读者介绍如何去用 ICEPAK 建立一款复杂的模型 , 所以对一些边界条件以及热源模型都作了简化 . 本建模过程的重点并没有放在去刻意追求结果的准确度上 . 若有读者感兴趣的话 , 想要得到更接近实测值的结果 , 还需要对边界参数 , 网格质量 , 热源和散热器的模型作更精细的调整 , 比如要考虑塞铜与铝挤间的接触热阻 , 加热热源的形状和种类 , 导热膏热阻 , 风扇支架对流场的影响 , 鳍片高度方向上的网格密度等等 . 读者可以借鉴本文介绍的方法 , 去建立一款复杂形体的散热器的模型 , 然后再划分网格求解运算 , 这对提升 ICEPAK 建模能力 , 加深对网格与计算求解的理解是大有益处的 .
参考文献
?  Icepak Training Notes .北京海基科技发展有限公司