1、1目 录什么是 Icepak?.2程序结构.2软件功能.3练习一 翅片散热器8练习二 辐射的块和板.43练习三 瞬态分析练习四 笔记本电脑练习五 改进的笔记本电脑练习六 IGES 模型的输入练习七 非连续网格练习八 Zoom-in 建模21.1 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
2、。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： 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3图 1.2.1: 软件架构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。
3、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 4 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
4、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 m
5、odels 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5o prisms of polygonal and varying cross-section 多面体o ducts of arbitrary cross-s
6、ection 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, resista
7、nces, 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 6 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
8、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7Icepak 有着广泛的工程应用，如： 计算机机箱 通信设备 芯片，
9、封装和 PCB 板 系统模拟 散热器 数字风洞 热管模拟8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
10、 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。9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：103. 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 Hom
11、e position 回来原始状态。 4. 修改 problem 定义，包括重力选项。11Problem 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。121. 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 Geo
12、metry. (b) 在 Location 下, 输入下面的坐标: xS -0.025 xE 0.075yS 0 yE 0.25zS 0 zE 0.356(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 0.006 m 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
13、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. 13(c) 点击 Geometry. (d) 输入下面坐标：xS 0 xE 0.006yS 0 yE 0.25zS 0 zE 0.356(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：xS
14、 0.006 xE 0.07514yS 0 yE 0.25zS 0.356 zE -(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. 15(c) 点击 Geometry. (d) 输入如下坐标：xC 0.04yC 0.0475zC 0(e) 输入外径为 0.03 ( Radi
15、us), 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 0.01 kg/s. (i) 点击 Done. 165. 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。 . 17(c) 输入 2 作为需要拷贝的数目 Number of copies. (d) 打
16、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 0.0775 m. 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. 18(c) 点击 Geo
17、metry. (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xS 0 xE -yS 0.0315 yE 0.0385zS 0.1805 zE 0.2005(g) 点击 Properties. (h) 在 Heat source parameters 下, 设置 Total heat 为 33 W. (i) 点击 Done. 197. 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 manag
18、er 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 0.045 m. 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. 20(c) 点击 Geometry. (d) 在在 Plane 下拉菜单, 选择 X-Z(e
19、) 输入如下坐标：xS 0.006 xE 0.075yS 0.0125 yE -zS 0.05 zE 0.331(f) 点击 Properties. (g) 在 Thermal model 下, 选择 Conducting thick. (h) 设置 Thickness 为 0.0025 m. (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. 219. 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). (
20、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 0.025 m 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. 22(c) 点击 Geometry. (d) 输入如下坐标：xS 0 xE -0.025yS 0 yE 0.25zS 0 zE -(
21、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 . 23i. 打开 Heat trans coeff 选项, 指定 heat transfer coeff 为 15 W/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: xS 0 xE -0.025yS
22、 0 yE 0.25zS 0.356 zE - 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: xS 0 xE -0.02524yS 0 yE -zS 0 zE 0.356o Thermal data: External conditions, Heat trans coeff = 15 wall.4: o Plane:
23、X-Z o Start/end: xS 0 xE -0.025yS 0.25 yE -zS 0 zE 0.356o Thermal data: External conditions, Heat trans coeff = 15 wall.5: o Plane: Y-Z o Start/end: xS -0.025 xE -yS 0 yE 0.25zS 0 zE 0.356o 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 vie
24、w (也可点击 button 来看该示图 ). 25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
25、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 . 261. 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
26、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. 27(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.
27、 网格显示垂直翅片，与 devices 方向一致 , 如图 1.3 所示 . 28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
28、格设置。 . 29(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 0.004 m。(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.30iii. 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。
