Icepak培训教程.doc

目 录1.1什么是Icepak? . 21.2程序结构. 21.3软件功能. 3练习1 翅片散热器.6练习2 辐射的块和板.41练习3 瞬态分析.56练习4 笔记本电脑.75练习5 修改的笔记本电脑.104练习6 由IGES导入的发热板模型.114练习7 非连续网格.138练习8 Zoom-in建模.1491.1 什么是Icepak? Icepak 是强大的 CAE 仿真软件工具，它能够对电子产品的传热，流动进行模拟，从而提高产品的质量，大量缩短产品的上市时间。 Icepak 能够计算部件级，板级和系统级的问题。它能够帮助工程师完成用试验不可能实现的情况，能够监控到无法测量的位置的数据。Icepak 采用的是 FLUENT 计算流体动力学 (CFD) 求解引擎。该求解器能够完成灵活的网格划分，能够利用非结构化网格求解复杂几何问题。多点离散求解算法能够加速求解时间。Icepak 提供了其它商用热分析软件不具备的特点，这些特点包括： 图 1.2.1: 软件架构 非矩形设备的精确模拟 接触热阻模拟 各向异性导热率 非线性风扇曲线 集中参数散热器 外部热交换器 辐射角系数的自动计算1.2 程序结构 Icepak 软件包包含如下内容: Icepak, 建模，网格和后处理工具 FLUENT, 求解器Icepak 本身拥有强大的建模功能。你也可以从其它 CAD 和 CAE 软件包输入模型. Icepak 然后为你的模型做网格, 网格通过后就是进行CFD求解。计算结果可以在Icepak中显示, 如图 1.2.1所示. 1.3 软件功能 所有的功能均在Icepak 界面下完成。 1.3.1 总述 鼠标控制的用户界面 o 鼠标就能控制模型的位置，移动及改变大小 o 误差检查 灵活的量纲定义 几何输入IGES, STEP, IDF, 和 DXF格式 库功能 在线帮助和文档 o 完全的超文本在线帮助 (包括理论和练习册) 支持平台o UNIX 工作站o Windows NT 4.0/2000/XP 的PC机1.3.2 建模 基于对象的建模 o cabinets 机柜o networks 网络模型o heat exchangers 热交换器o wires 线o openings 开孔o grilles 过滤网o sources 热源o printed circuit boards (PCBs) PCB板o enclosures 腔体o plates 板o walls 壁o blocks 块o fans (with hubs) 风扇o blowers 离心风机o resistances 阻尼o heat sinks 散热器o packages 封装 macros 宏o JEDEC test chambers JEDEC试验室o printed circuit board (PCB) o ducts 管道o compact models for heat sinks 简化的散热器 2D object shapes 2D模型o rectangular 矩形o circular 圆形o inclined 斜板o polygon 多边形板 complex 3D object shapes 3D模型o prisms 四面体o cylinders 圆柱o ellipsoids 椭圆柱o elliptical and concentric cylinders 椭圆柱o prisms of polygonal and varying cross-section 多面体o ducts of arbitrary cross-section 任意形状的管道1.3.3 网格 自动非结构化网格生成o 六面体，四面体，五面体及混合网格 网格控制o 粗网格生成o 细网格生成o 网格检查o 非连续网格1.3.4 材料 综合的材料物性数据库 各向异性材料 属性随温度变化的材料1.3.5 物理模型 层流/湍流模型 稳态/瞬态分析 强迫对流/自然对流/混合对流 传导 流固耦合 辐射 体积阻力 混合长度方程（0-方程）, 双方程(标准 - 方程), RNG - , 增强双方程 (标准 - 带有增强壁面处理), 或Spalart-Allmaras 湍流模型 接触阻尼 体积阻力模型 非线性风扇曲线 集中参数的fans, resistances, and grilles 1.3.6 边界条件 壁和表面边界条件：热流密度, 温度, 传热系数, 辐射,和对称边界条件 开孔和过滤网 风扇 热交换器 时间相关和温度相关的热源 随时间变化的环境温度 1.3.7求解引擎对于求解器FLUENT,是采用的有限体积算法。 有如下特点： 多点离散算法来缩短求解时间 选择一阶迎风格式或高阶格式来提高精度 1.3.8 可视化后处理 3D 建模和后处理 可视化速度向量，云图，粒子，网格，切面和等值面 点示踪和XY 图表 速度，温度，压力，热流密度，传热系数，热流，湍流参数等云图 速度，温度，压力最大值 粒子动画 瞬态动画 切面动画 输出为AVI, MPEG, FLI, 及 GIF动画 格式 1.3.9 报告 写出用户定义的ASCII 文件 (如热流密度，质量流量，传热系数等) 任何点的时间历程 求解过程中点的监控 报告风扇工作点 直接输出到打印机，格式如下： o color, gray-scale, or monochrome PostScript o PPM o TIFF o GIF o JPEG o VRML o MPEG movies o AVI movies o FLI movies o animated GIF movies 1.3.10 应用Icepak有着广泛的工程应用，如： 计算机机箱 通信设备 芯片，封装和PCB板 系统模拟 散热器 数字风洞 热管模拟练习1 翅片散热器介绍 本练习显示了如何用Icepak做一个翅片散热器。通过这个练习你可以了解到： 打开一个新的project 建立blocks, openings, fans, sources, plates, walls 包括gravity的效应,湍流模拟 改变缺省材料 定义网格参数 求解 显示计算结果云图，向量和切面问题描述机柜包含5个高功率的设备（密封在一个腔体内），一块背板plate，10个翅片fins，三个fans, 和一个自由开孔，如图1.1所示。Fins和plate用extruded aluminum. 每个fan质量流量为0.01kg/s，每个source为33W.根据设计目标，当环境温度为20C时设备的基座不能超过65C。图 1.1: 问题描述步骤 1: 创建一个新的项目 1. 启动 Icepak, 出现下面窗口。2. 点击 New 打开一个新的 Icepak project. 就会出现下面的窗口：3. 给定一个项目的名称并点击 Create. (a) 本项目取名为fin,(b) 点击 Create. Icepak就会生成一个缺省的机柜，尺寸为 1 m 1 m 1 m。你可以用鼠标左键旋转机柜，或用中键平移，右键放大/缩小。还可以用Home position 回来原始状态。 4. 修改problem定义，包括重力选项。Problem setup Basic parameters (a) 打开 Gravity vector 选项，保持缺省值。(b) 保持其它缺省设置。(c) 点击Accept保存设置。 步骤 2: 建立模型 建模之前，你首先要改变机柜的大小。然后建立一块背板和开孔，接下来就是建立风扇，翅片和发热设备。1. 改变机柜大小，在 Cabinet 窗口下. Model Cabinet 另外：你也可以打开Cabinet面板 ，通过点击Edit 窗口.(a) 在 Cabinet 面板下, 点击 Geometry. (b) 在Location下, 输入下面的坐标: xS-0.025xE0.075yS0yE0.25zS0zE0.356(c) 点击 Done. (d) 点击 Scale to fit 来看整个绘图窗口。另外: 你也可以点击 button. 2. 建立背板该plate 是0.006m 厚并将Cabinet分成两个区域:设备一面 (high-power devices 在这一面的腔体内) 和 翅片一面 (fins的那一面). 背板在这里是用block来描述. (a) 点击 button生成一个block. Icepak 将生成一个新的block并放在cabinet的中央. 你需要改变block的大小。(b) 点击 button 来打开 Blocks 面板. (c) 点击 Geometry. (d) 输入下面坐标：xS0xE0.006yS0yE0.25zS0zE0.356(e) 点击 Done. 3. 建立自由开孔 (a) 点击 button生成一个opening. Icepak 将创建一个矩形的自由开孔并在- 平面. 你只需要改变opening的大小即可. (b) 点击 button打开 Openings 面板. (c) 点击Geometry.(d) 输入如下坐标：xS0.006xE0.075yS0yE0.25zS0.356zE-(e) 点击 Done. 4. 建立第一个风扇：每一个风扇在位置上是相关的，你只需要建立一个，并copy出其它两个即可。位置是在Y方向有一个给定的offset。(a) 点击 button来创建一个新的fan. Icepak 将生成一个在X-Y平面上的圆形风扇. 你需要改变其大小并指定其质量流量. (b) 点击 button 来打开Fans面板. (c) 点击 Geometry. (d) 输入如下坐标：xC0.04yC0.0475zC0(e) 输入外径为0.03 ( Radius), 内径0.01 ( Int Radius). (f) 点击 Properties. (g) 保持风扇类型为intake. (h) 在Fan flow下, 选择 Fixed 及 Mass. 输入质量流量为 0.01kg/s. (i) 点击 Done. 5. 拷贝第一个风扇 ( fan.1) 来创建第二个和第三个风扇 ( fan.1.1 and fan.1.2). (a) 在Model manager 窗口下, 选择 fan.1. (b) 点击 button. Copy窗口打开。. (c) 输入 2 作为需要拷贝的数目 Number of copies. (d) 打开Translate 选项并输入 Y offset 为 0.0775. (e) 点击Apply. Icepak 将创建两个同样的风扇，其间距为Y方向 0.0775m. 6. 创建第一个 high-power device. 就象风扇一样，每个device也是位置上相关的, 要生成5个devices, 你需要先建立一个，并在Y方向拷贝即可。 (a) 点击 button 生成一个热源. Icepak 将在cabinet中心生成一个矩形的 source. 你需要改变其几何尺寸并给定功耗. (b) 点击 button 打开 Sources 面板. (c) 点击 Geometry. (d) 保持缺省设置为矩形 (e) 在Plane 下拉菜单, 选择 Y-Z. (f) 输入如下坐标xS0xE-yS0.0315yE0.0385zS0.1805zE0.2005(g) 点击 Properties. (h) 在 Heat source parameters下, 设置 Total heat 为 33W. (i) 点击 Done. 7. 拷贝第一个device ( source.1) 来生成其它四个 ( source.1.1, source.1.2, source.1.3, and source.1.4). (a) 在Model manager 窗口下, 选定 source.1. (b) 点击 button. (c) 和前面复制风扇同样的步骤，在Y方向输入offset 0.045m. 8. 建立第一个fin如风扇和设备一个，每一个翅片也是在位置上相关的，要建立这10个翅片，你需要先建立一个并在Y方向拷贝出其它9个。 (a) 点击 button 生成一个plate. Icepak 将生成一个X-Y平面的矩形plate. 你需要改变它的方向，大小和物性参数。 (b) 点击 button 打开 Plates面板. (c) 点击 Geometry. (d) 在在Plane 下拉菜单, 选择 X-Z(e) 输入如下坐标：xS0.006xE0.075yS0.0125yE-zS0.05zE0.331(f) 点击Properties. (g) 在 Thermal model下, 选择 Conducting thick. (h) 设置 Thickness 为 0.0025m. (i) 保持 default 设置为 Solid material. 由于缺省材料为铝挤型材，你不需要改变它的材料. (j) 点击 Done. 9. 拷贝第一个fin( plate.1) 来生成其它9个 fins ( plate.1.1, plate.1.2, , plate.1.9). (a) 在 Model manager 窗口下, 选择 plate.1. (b) 点击 button. (c) 参照上述拷贝风扇的步骤，给Y offset 输入 0.025m 来生成 9 个fins. 10. 建立设备的腔体该腔体是由5个矩形的walls组成。 (a) 点击 button 来生成wall. Icepak 将在X-Y平面生成矩形wall. 需要改变它的位置，大小及物性参数. (b) 点击 button 来打开 Walls 面板. (c) 点击 Geometry. (d) 输入如下坐标：xS0xE-0.025yS0yE0.25zS0zE-(e) 点击 Properties. (f) 在Thermal data下, 选择 External conditions 并点击 Edit button. 这时 Wall external thermal conditions 面板将打开. i. 打开 Heat trans coeff 选项, 指定 heat transfer coeff 为 15W/K-m . ii. 点击Done. (g) 点击Update. (h) 在 Walls 面板下点击 New，并生成第二个wall ( wall.2): Plane: X-Y Start/end: xS0xE-0.025yS0yE0.25zS0.356zE- Thermal data: External conditions, Heat trans coeff = 15 ! 记住每做完一次修改要点击 Update。 (i) 重复上述步骤建立 wall.3, wall.4, and wall.5,用下面的参数: wall.3: o Plane: X-Z o Start/end: xS0xE-0.025yS0yE-zS0zE0.356o Thermal data: External conditions, Heat trans coeff = 15 wall.4: o Plane: X-Z o Start/end: xS0xE-0.025yS0.25yE-zS0zE0.356o Thermal data: External conditions, Heat trans coeff = 15 wall.5: o Plane: Y-Z o Start/end: xS-0.025xE-yS0yE0.25zS0zE0.356o Thermal data: External conditions, Heat trans coeff = 15 (j) 定义完5块wall之后，点击 Done.如图 1.2, 如示。 Isometric view (也可点击 button来看该示图). 图 1.2: 翅片散热器的完整模型11. 检查模型确认没有问题 （如, 物体间距太近会影响网格网格). Model Check model 你也可以点击 button来检查模型。 如果所有的偏差都满足要求,Icepak 会在 Message窗口下给出 0 problems。12. 检查物体定义Edit Summary Icepak将列出所有物体的参数. 你可以检查并点击Done 来确认. 如果你发现问题你也可以在这里改变。 步骤 3: 网格生成你将通过2步来生成网格。首先你会生成粗网格coarse mesh并检查网格来确认什么地方的网格需要加密. 然后加密网格并再次显示网格。 Model Generate Mesh 另外: 你可以点击 button, 打开 Mesh control 面板. 1. 生成粗网格（最小数目的网格）(a) 在Mesh control 面板里, 选择 Coarse. Icepak 就会将网格设置改变为粗网格的设置，在上面的面板里有显示。 (b) 设置 Max X size to 0.01, the Max Y size to 0.01, and the Max Z size to 0.02. (c) 点击 Generate mesh 按钮来生成粗网格. Icepak 将会报告模型中物体间最小间距小于最小物体尺寸的10%.你可以中止网格划分，忽略提示或改变值。 (d) 点击 Change value and mesh 继续生成网格。2. 检查网格 (a) 点击 Display. (b) 打开 Cut plane 选项. (c) 在 Set position 选项中, 选择 Point and normal. (d) 设置 ( PX, PY, PZ) 为 ( 0.025, 0, 0)及 ( NX, NY, NZ)为 ( 1, 0, 0). 该设置会使网格在Y-Z平面通过点(0.025, 0, 0)来显示网格. (e) 打开 Display mesh 选项. 网格显示垂直翅片，与devices方向一致, 如图 1.3所示. 图 1.3:Y-Z平面的粗网格(f) 用滑动钮来改变切面的位置。可以发现翅片中的网格太大，不足以解决该问题。下一步即是要细化网格。3. 生成细网格(a) 点击Generate . (b) 在 Global settings下, Mesh parameters选项中选择 Normal Icepak将自动更新网格划分的设置。 (c) 打开 Object params 选项并点击 Edit. Icepak 将打开 Per-object meshing parameters面板, 这里你可以改变每个物体的网格设置。. (d) 设定所有plates的网格i. 在Per-object meshing parameters 面板, 点击 plate.1, 按住 key, 并点击 plate.1.9 来选择所有的plates. Icepak 将显示所有plate的网格信息。ii. 打开Use per-object parameters 选项. iii. 打开 Low end height 及 High end height, 将Requested一栏都设定为 0.004. 该设定使得所有plate外围的每一层网格的高度为0.004m。(e) 设定所有sources的网格i. 如上选择所有plates一样，选择所有sources.ii. 打开Use per-object parameters 选项.iii. 打开 Y count 及 Z count, 将Requested一栏分别设定为3 和 4。 该设定确定了source在每一个方向的网格数 (f) 在 Per-object meshing parameters 面板下, 点击 Done 来保存设置。(g) 点击 Generate mesh button 来生成细网格。4. 检查新网格绘图区域将自动显示新网格，如图1.4所示。点击 Display并应用滑动钮来显示细网格。 图 1.4: - 平面的细网格5. 关闭网格显示。(a) 点击 Display. (b) 关闭 Display mesh 选项. (c) 点击 Close 来关闭 Mesh control 面板. 步骤 4: 检查气流在求解之前，你应该首先估算Reynolds 和 Peclet 数来确定是采用哪种流动方程。1. 检查Reynolds 和 Peclet 数. Solution settings Basic settings (a) 点击 Reset按钮. (b) 检查Message 窗口里的信息. 得到的Reynolds 和 Peclet 数分别是13,000 和 9,000, 所以应该是turbulent. Icepak 将建议选择turbulent. (c) 点击 Accept. 2. 激活 turbulence modeling（湍流模型）. Problem setup Basic parameters (a) 在 Basic parameters 面板里, 在Flow regime一栏选择 Turbulent. (b) 保持缺省 Zero equation turbulence model. (c) 点击 Accept 保存设置. 3. 返回 Basic settings 面板并点击 Reset 及 Accept. 步骤 5: 保存文件 Icepak 将在你求解之前自动保存模型,但是建议你自己也保存一次. 如果你在求解前退出Icepak, 你可以在下一次再打开你的项目再求解。（如果你求解了,Icepak 将简单地覆盖你保存的模型。) File Save project 步骤 6: 求解计算 1. 开始求解Solve Run solution 注意点击 button. 2. 保持缺省设置不变。3. 点击 Start solution 来启动求解器. Icepak将开始求解，一个新的窗口将会出现。它显示了计算的残差。 Icepak 也会打开 Monitor 窗口，来显示收敛过程。求解完成后，你的残差曲线会象图 1.5所示. Continuity 残差没有完全收敛，但是因为它已非常接近 而且其它都低于该值，你可以认为收敛了。注意到在不同的计算机该曲线会略有不同, 所以你的曲线不会同图 1.5完全一样. 图 1.5: 残差曲线4. 点击 Done 来关闭 Monitor 窗口. 步骤 7: 检查结果 本练习的目标是确定和散热器气流，传热相关的(fans, fins)是不是足够保证设备的最高温度不高于 65 C. 你可以通过检查结果来完成这一目标。 1. 显示速度向量切面Post Plane cut 另外: 你也可以通过点击 button 来打开 Plane cut面板. (a) 在 Name 栏, 输入切面的名称. (b) 在Set position 栏, 选择 Point and normal. (c) 设定( PX, PY, PZ) 为 ( 0.04, 0, 0), 及 ( NX, NY, NZ) 为 ( 1, 0, 0). 该定义是在Y-Z平面做了一个通过点(0.04, 0, 0)的切面. (d) 打开 Show vectors 选项. (e) 点击 Create. (f) 在 Orient 菜单下, 选择 Orient positive X. 这样得到的示图如图1.6所示. 你可以看出是大的气流速度出现在风扇叶片的位置. 最低速度出现在翅片与壁面之间. 另外: 你也可以通过点击 button选择方向. 图 1.6: Y-Z切面的速度矢量(g) 在 Plane cut 面板里, 点击 Active 选择来关闭显示. 这将暂时地关闭显示, 这样你可以很方便地做另一个后处理显示. 2. 显示温度云图(a)在 Plane cut 面板下，点击 New. (b) 在 Name 栏输入, 名称. (c) 用刚才同样的切面位置(d) 打开 Show contours 选项并点击 Parameters. 这样 Plane cut contours 面板将被打开。 (e) 保持缺省设置Temperature 选项(f) 对于Shading options, 保持 Banded选项. (g) 对于Color levels, 选择 Calculated 及 This object 选项. Icepak 将给出该切面的云图温度范围。. (h) 点击 Done.图上将显示温度云图。如图1.7 所示. 图 1.7: Y-Z切面的温度云图(i) 在 Plane cut 面板里, 点击 Active 选项关闭显示. 3. 显示速度向量及压力云图(a) 在Plane cut面板下点击 New. (b) 在 Name 栏, 输入名称. (c) 取与上面同样的平面位置。(d) 打开 Show vectors. (e) 显示压力云图i. 打开 Show contours 选项并点击 Parameters. Plane cut contours 面板打开. ii. 在 Plane cut contours 面板下, 在Contours一栏选择 Pressure. 提示: 点击三角键打开Contours的下拉菜单. iii. 对于 Shading options, 保持缺省 Banded. iv. 对于 Color levels, 选择 Calculated 及 This object. v. 点击 Done. 该示图将显示出压力云图及速度向量图。 图 1.8 显示出高压力区在风扇的下游，局部最大值出现在翅片上游的顶部. 图 1.8:压力云图和速度矢量图(f) 在 Plane cut 面板下, 点击 Active 来关闭显示. 4. 用温度的颜色来显示腔体区域的速度向量(a) 在Plane cut面板下点击 New. (b) 给出名称 Name. (c) 在 Set position 下选择 Point and normal. (d) 给出 ( PX, PY, PZ) 为 ( -0.01, 0, 0), 及 ( NX, NY, NZ) 为 ( 1, 0, 0). (e) 打开 Show vectors 选项并点击 Parameters. Plane cut vectors 面板打开. (f) 在 Color by 下拉菜单, 选择 Scalar variable, 保持 Color variable 里的 Temperature. (g) 对于 Compute color based on, 选择 This object. (h) 点击 Done. 图 1.9 显示了在热源腔体内有一个大的对流。空气在风扇一侧下降，在热源位置上升。最高温度出现在最上面的热源。 图 1.9: 以温度标识颜色的速度矢量图(i) 在 Plane cut 面板下, 点击 Active 选项，然后点击 Done. 5. 显示5个热源的温度云图Post Object face 另外: 你可以点击button打开Object face 面板. (a) 输入 Name. (b) 在Object type 中, 点击 source.1, 按住 key, 点击 source.1.4 来选择所有的sources, 点击 Accept button. (c) 打开 Show contours 选项及 Parameters. 这样 Object face contours 面板打开. (d) 在Object face contours面板里,保持 Contours of下拉菜单里的 Temperature . (e) 对于Shading options, 保持 Banded. (f) 对于Color levels, 选择 Calculated 及 This object. (g) 点击 Done. 示图将更新为sources的温度云图. (h) 用你的鼠标右键放大/缩小来看示图图 1.10 显示了5个热源的温度分布云图。几个热源的温度分布比较相似：中心温度高，四周温度低。中间的那个热源温度比较高。顶部和底部的热源温度分布接近，另外两个也是。 图 1.10: 五个热源上的温度云图(i) 在Object face 面析下, 关闭 Active 选项. 6. 显示背板的温度云图(a)在 Object face 面板下点击 New. (b) 给出名称face-tempblock. (c) 在 Object 下拉菜单, 选择block.1并点击 Accept. (d) 打开Show contours 选项并点击 Parameters. Object face contours 面板打开. (e) 在 Object face contours 面板下,保持Contours of下拉菜单里的 Temperature. (f) 对于Contour options, 不选 Solid 而选 Line. (g) 对于Level spacing, 选择 Fixed 并设置 Number 为 200. (h) 对于Color levels, 选择 Calculated 及 This object. (i) 点击Done. 图中显示出block的温度云图。图 1.11 可以看出温度热点在热源的附件。最高温度出现在三个中间的热源周围。 图 1.11: 背板上的温度云图总结 在该练习中，你建立并求解了一个模型。为了确定给定的散热器保持热源65 C情况的能力。 后处理结果显示最高温度为53 C, 显示了该散热器足以冷却这些热源。 附加练习 为了确定中间一个风扇失效情况下，散热器的效果，不激活(deactive)中间的风扇，即fan.1.1, 重新做网格, 用不同的ID再求解一次并检查结果. 练习2 辐射的块和板简介介绍：本练习演示了如何模拟辐射传热。首先你求解一个没有考虑辐射的问题，然后再求解一个考虑辐射的问题。目的是比较辐射的效果。在这个练习中你能够学到： 建立新的实体材料 模拟辐射效果 改变求解的迭代次数 建立组 完成多工况的后处理问题描述 本问题(如 2.1所示) 包含一块板和一个导热的实体块，自然散热。块是方的，厚度为0.005m, 功耗5W. 它放置在一个 0.002m 0.2m 0.3m 的板上. 机柜内部物体的辐射率为1. 图 2.1: 问题描述步骤 1: 打开和定义一个新的项目 1. 启动Icepak, 当 Icepak 启动后, the New/existing 面板自动出现. 2. 点击 New. New proj