次の記事では、弊社コンサルタントチームによるベンチマーク計算の事例を説明します。
はじめに
CHAM は、ノルウェーの技術開発大手である Kongsberg Devotek AS からアプローチを受け、1 bar の大気中にフィン付きアルミニウム ボックス内に収納された水冷電子システムのプロトタイプ設計をモデル化するよう依頼されました。
検討する問題
冷却システムに水を供給するポンプが故障し、水がパイプ内に残ったまま循環しなくなったり、冷却されなくなったりすることがあります。「8」というラベルが付いたセクション内のボードの1つが 75°C に達すると、システムは故障したとします。お客様の主な懸念事項は、「システムに障害が発生するのか、いつ障害が発生するのか、故障後、システムはどのくらいの期間、安全に運用できるか?」ということです。
形状と境界条件
システムの基本的な形状を簡略化して次の図に示します (上から見た図)
図 1: 解析モデルの概略図
座標系
原点は、図に示すように、筐体の外側左下隅に設定されます。Zのゼロ位置はボックスの底部にあります。重力は負のz方向を向いています。
コンポーネント 1 ハウジング
材質：アルミニウム
コンポーネント 2 水冷システム
[パイプ]
材質：銅 図２ (z-x 平面) に示すように、パイプはボックスの内側の壁にはんだ付けされます。
図 ２: パイプ構造
[冷却液]
材料: 1 barの水
流量: 1 L/min
液入温度: 35 °C
コンポーネント 3 換気扇
寸法:直径80mm、底板に取り付けられています
動作条件：ファン速度: 2050 rpm
流れの方向: 正の x 方向
図３のライン 2 に示されている、体積流量の関数としての圧力上昇を与える。
図 ３: PQ曲線
コンポーネント 4 換気扇
流れの方向が負の x 方向であることを除き、コンポーネント 3 と同じ
コンポーネント 5 電解コンデンサ
材質：アルミニウム / 発熱量：0.5
コンポーネント 6 2 つの同一のボード
材質：FR4 / 放熱量：各5W
コンポーネント 7 ボード
材質：FR4 / 放熱量：7.5W
コンポーネント 8 コネクタボードを備えた 2 枚の同一の積層ボード
材質：FR4 / 放熱量：各8W
コンポーネント 9 電圧コンバータ付き電源ユニット
材質：銅 / 発熱量：22W
コンポーネント 10 雰囲気
1 bar の空気が 33 °C の一定温度でボックスの周囲にあります。
雰囲気は壁で囲まれ、温度は 33 °C、放射率は ε=1 です。
材料物性
表１に使用する物性値を示します。
表 １ : 物性値
CFDモデル
CFD モデルは、上記のように、クライアントから提供された寸法および運用データを使用して、PHOENICS 内の組み込み HOTBOX ライブラリのオブジェクトを使用して作成しました。
図 ４−１ : 解析モデル図１ XY平面
図 ４−２ : 解析モデル図２ ３Dモデル図
119 x 141 x 76 の比較的粗いメッシュが適用されました。幾何学的特徴の性質を考慮すると、PARSOL は必要ありませんでした。IMMERSOL輻射モデルを使用して、LVEL乱流モデルが選択し、5分間に対し 10タイムステップステップの過渡 (時間依存) 計算を行いました。3GHz PC での実行時間は 12.7 時間でした。次の画像は、300秒後の速度と温度の結果をドメインの平面図と断面図で示しています。ジオメトリはワイヤーフレームで表示しています。
図 ５−１ : 温度高温スポット XY平面
図 ５−２ : 速度最速スポット XY平面
図 ５−３ : 温度高温スポット XZ平面
図 ５−４ : 速度最速スポット XZ平面
図 ５−５ : 温度中心断面 XZ平面
図 ５−６ : 速度中心断面 XZ平面
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