ANSYS 热传分析(Thermal)`.pdf

ANSYS 熱傳分析(Thermol) 許多分析的狀況中，時常會遇到需要解決散熱或是了解 分析物體之溫度分佈的情形, 無論是發熱、冷卻分析，或是 欲計算因溫度改變而導致結構變形產生的應力變化，皆需運 用到熱傳之分析技巧。 基本熱量傳遞的三種形式為 ﹒熱傳導(conduction) . 熱對流(convection) . 熱輻射(radiation) 在ANSYS 中各有其分析之技巧但也有其限制。在基本熱 傳分析中, 傳導是分析之基礎, 所有的熱傳元素皆提供熱傳導 之分析, 但對於加入熱對流或熱輻射之物理性質考量時, 便需 有額外有限元素模型之建立技巧。由於ANSYS 並不提供在同 一元素同時存在熱通量(heat flux) 及熱對流(heat convection) 做為邊界條件之作用, 因此對於解決此種分析問題時便需利 用表面作用元素(surface effect clement)SURF151,SURF152, 以 便協助處理熱對流時的情形。 還有一點更重要的是, 利用ANSYS 基本熱傳模組處理熱 對流分析時必須了解物體表面之熱對流係數(coeffiCIcnt of convection,HO 這一係數ANSYS 之熱傳模組並無法計算得 知,ANSYS 將它當成邊界條件之一輸入。因此熱對流係數之 獲得必須在熱傳分析前完成, 否則便須透過計算流體力學之 分析模式( 如ANSYSSlotraI1) 來完成分析 另外, 在考量到熱輻射之影響時,ANSYS 提供了數種有 限元素模型建立方式, 以解決不同程度的熱輻射分析。最簡 單的是利用Link31 做點對點之間的輻射傳遞, 亦可利用表面 作用元素(surface effect element)SURF151,SURF152 作表面與 點之間的輻射傳遞; 最常用的是利用AUX12 Radiation Matrix method 來處理面與面之間的輻射問題, 不過這一種方 法只能應用在特定模組如: ANSYS/Multiphysis ANSYS/Mechanical ANSYS/Thermal ANSYS 熱輻射的分析限制僅能分析屬於表面發射之問 題, 對於穿透式的物體輻射ANSYS 並無法分析。另外針對 多個表面之間的輻射問題,ANSYS 提供兩種分析型態: Hidden 及Non-hidden 。Hidden 會根據各物體之幾何位置 計算view factor, 而Non-hidden 則是將每個物體都視為可以 互視(visible) 的, 而不受幾何位置影響。 接著將以一個簡單的範例來描述ANSYS 處理熱傳問 題的步驟與方法, 我們將以一個晶片的散熱片作為熱傳分 析的模型。 問題分析 晶片的散熱片如下圖, 長度單位為mm, 其底面積為 35mm ×35mm ，厚3mm 。鰭片數目24 根, 每根高 10mm, 寬 1.5mm 。底部中心至鰭片距離為 10.5mm 。散熱片材料 為鋁, 其熱傳導係數為 160W/mk ,假設表面熱對流係數為 50W/m2K ,散熱片底部完全貼在發熱功率為3W 的晶片上, 環境溫度為36 。C, 試求散熱片最終溫度及其熱阻。 在開始之前我們先思考一下問題, 在熱傳問題裡熱源由 底部與晶片接觸面所提供, 假設3W 的熱量全部傳導至散 熱片, 那散熱片底部就有3W/(35mm ×35mm)= 0.00245W/mm2 的熱通量(heat flux) 。表面不考慮輻射現象, 則有50W/mm的熱對流係數, 為求單位一致性, 我們將表面 熱對流係數轉換為50E-6W/mm2 。C , 散熱片之熱傳導係數 。 為160E-3W/mm C 。另外由於模型的對稱性, 因此在分析 上我們僅需利用l/4 對稱模型來做分析即可。 啟動ANSYS 及定義元素屬性 啟動ANSYS 並設定好作業路徑、作業名稱及相關設 定。注意在Product Selection 中, 需選擇有包含Thermal 的 產品, 如Mechanical 、Thermal 、Multiphysicals 等, 其他 教育單位的版本, 都是全模