Projekt MES- Michał Pieszak, Michał Radowiecki

POLITECHNIKAPOZNAŃSKAMetoda Elementów SkończonychProjektCOMSOL Multiphysics 3.4.Prowadzący:dr hab. T. StrękWykonali:Michał PieszakMichał RadowieckiGrupa: KMUSemestr VIIPoznań 2012

SPIS TREŚCI:1. Badanie przepływu ciepła przez radiatory komputerowe wykonanychzróżnych materiałówa) Wstępb) Opis równaniac) Przebieg czynności wykonywanych w programie COMSOLd) Wnioski2. Analiza ugięcia płyty kołowej.a) Wstępb) Przeprowadzenie symulacji oraz jej wynikic) Wnioski3. Badanie przepływu cieczya) Wstępb) Opis równaniac) Wyniki symulacji i wnioski

1. Badanie przepływu ciepła przez radiatory komputerowe wykonanychzróżnych materiałówa) WstępPrzedmiotem badania jest radiator komputerowy. Model trójwymiarowy zostałutworzony w programie Inventor firmy Autodesk. Radiator ten posiada siedemżeber oddających do otoczenia ciepło wytworzone przez procesor Intel i7 Extremeo wartości oddawanego ciepła (TDP) 130W i maksymalnej temperaturzebezawaryjnej pracy ok. 373 K. Celem tego badania będzie sprawdzenie przepływuciepła i określenie poprawności zaprojektowanego elementu. Został onprzedstawiony na rys. 1.Radiatory znajdują szereg zastosowań w technice m.in. wchłodnicach, grzejnikach, obudowach silników elektrycznych.Rys. 1 radiator komputerowy, reprezentacja modelu w programach Inventor i COMSOL

) Opis równaniaProblem zostanie rozwiązany na podstawie równania przewodnictwa cieplnego:gdzie:δts – wspołczynnik skalowania w czasie,ρ – gęstość [kg/m3],Cp – pojemność cieplna [J/(kg・K)],T – temperatura [K],t – czas [s],k – tensor przewodności cieplnej [W/(m・K)],Q – źrodło ciepła [W/m3].Rozpatrywane będą dwa przypadki materiałowe (uproszczenie w przypadku stopów):- aluminium- miedźWarunki początkowe:-temperatura początkowa 293 K- temperatura procesora 373 K- symulowany czas trwania procesu równy 10 minut

c) Przebieg czynności wykonywanych w programie COMSOLWybranie odpowiedniego modułu programu COMSOLImport modelu trójwymiarowego zapisanego w formacie STEP

Dobór odpowiednich ustawień materiałowych, fizycznych i początkowych

W celach badawczych przyjęto materiał, jako czyste aluminium i czystą miedź byuniknąć błędów pomiarowych związanych z dodatkami stopowymi zmieniających np.przewodność cieplnąUstawienie warunków brzegowychDla podstawy radiatora mającej kontakt z procesorem, ustalono temperaturę 373 K. Wuproszczeniu jest to prawie maksymalna możliwa temperatura bezawaryjnej pracy.

Dodatkowo przyjęto temperatury początkową i zewnętrznąrówne293 K. Założono, że całaenergia cieplna dostarczana jest przez powierzchnie podstawy radiatora.Wartość Heat transfer coefficient ustalono na 50 W/ (m^2*K)Warunki brzegowe podstawy radiatora

Wprowadzenie parametrów czasu w zakładce SolverParametersUtworzenie siatki – podział obiektu na elementy skończone

Tabela 1. Wyniki symulacji(ustawienie w zakładce Plot Parameters, opcji Subdomain zamiast Slice)Radiator aluminiowyRadiator miedzianyd). WnioskiJak możemy zaobserwować na wizualizacjach wyników pomiarów (tabela 1), radiatormiedziany uzyskał większą minimalną temperaturę (365 K) niż aluminiowy (355 K). Radiatormiedziany lepiej sobie radzi z odprowadzaniem ciepła. Wynika to z lepszego przewodnictwacieplnego w przypadku miedzi. W związku z tym miedź jest lepszym materiałem do budowywymienników ciepła niż aluminium. Uzyskany w obu przypadkach spadek temperaturypomiędzy podstawą a górnym końcem radiatora jest stosunkowo niewielki. Jest oczywistym,że wybór takiego sposobu chłodzenia dla procesora komputerowego byłby niewystarczający.W takim przypadku niezbędne jest zastosowanie przyspieszenia procesu wymiany ciepłamiędzy radiatorem a otoczeniem. Można to uzyskać przez zamontowanie wiatraczkawymuszającego przepływ powietrza lub np. znacznie zwiększając powierzchnię i wymiaryradiatora.

2. Analiza ugięcia płyty kołowej.a) WstępPrzeprowadzenie symulacji miało na celu porównanie ugięcia płyty kołowej obciążonejobwodowo w dwóch przypadkach:- płyta kołowa bez użebrowania (Rys.1)- płyta z użebrowaniem (Rys.2)Obie płyty miały średnice 100 cm oraz grubość 10 mm.Płyty zostały wykonane ze stali o następujących właściwościach:- moduł Younga E = 205e9 [Pa]- współczynnik Poissona ν=0.33- gęstość ρ = 7850 [kg/m^3]Rys.1 Płyta kołowa bez użebrowaniaRys.2 Płyta kołowa z użebrowaniem

) Przeprowadzenie symulacji oraz jej wynikiWybranie odpowiedniego modułuWprowadzenie właściwości materiału płyty w opcji Subdomain SettingsWprowadzenie właściwości materiału płyty zarówno1 i 2

Wprowadzenie parametrów sposobu utwierdzenia w opcji Boundary Settings.Zadanie obciążenia F=-50000N/m2

Wygenerowanie siatki płyty nieużebrowanej.

Wygenerowanie siatki płyty użebrowanej

Wyniki symulacji płyty nieużebrowanej.

Wyniki symulacji płyty użebrowanej.c) WnioskiPo przeprowadzeniu analizy można zauważyć, że użebrowanie płyty znacznie zwiększyło jejsztywność. Płyta nieużebrowana wykazała maksymalne ugięcie równe 0,808mm, natomiast płytaużebrowana wykazała ugięci około 50% mniejsze równe 0,399mm.

3. Badanie przepływu cieczya) WstępW tej części pracy przeprowadzono badanie przepływu w instalacji rozdzielaniaciepłej wody. Woda wpływa do dwóch takich samych wymienników ciepła. Spadekszybkości przepływu wpłynie na wydajność wymiennika. Użyty model został utworzony wprogramie Autocad 2011. Przedstawia on rurę o średnicy 4 cm i dwie inne średnicy 2 cm. Wcelu sprawdzenia przebiegu zjawiska posłużono się modułem „Fluid Dynamics” w trybie 2D.Czynnikiem roboczym jest wodab) Opis równania.Podczas pracy w programie COMSOL, wykorzystywano poniższe równanie:gdzie:ρ – gęstość [kg/m3],u – pole prędkości [m/s],t – czas [s],p – ciśnienie [Pa],η – współczynnik lepkości dynamicznej [Pa·s],T – temperatura [K],F – siła objętościowa [N/m3].

Wybór odpowiedniego modułu programuUtworzenie siatki elementów skończonych na rozważanym obiekcie

Ustawienie czynnika roboczego w zakładce Subdomain - WodaLepkkość dynamiczna dla wody w temperaturze 363 K wynosi 0,35·10 -3 Pa·sOkreślenie warunków brzegowychUstawienie wlotu, prędkość płynu równa 0,5 m/s

Ustawienie wylotów 1 i 2, ciśnienie w instalacji 2 baryc) Wyniki symulacji i wnioskiZ symulacji wynika, że rozdzielacz czynnika roboczego w takiej formie nie jestnajlepszym rozwiązaniem. Prędkość wody wpływającej do drugiego wymiennika znaczniespadła. Natomiast w pierwszej rurze wypływowej wzrosła do poziomu wyższego niż nazasilaniu. Duży wpływ na to ma przyłączenie rur w sposób szeregowy oraz „ślepe”

zakończenie głównej rury. Rozwiązaniem usprawniającym rozdzielacz może byćzmniejszenie odległości pomiędzy rurami wypływowymi oraz zmiana ich ułożenia.Przykładowe ozwiązanieproblemuJak można zauważyć parametry rozdzielacza znacząco się poprawiły. W takimułożeniu wydajność zasilanych wymienników ciepła będzie porównywalna. Wynika z tego,że przy pracach konstruktorsko-projektowych warto stosować programy korzystające zmetody elementów skończonych. Dzięki ich zaletom można jeszcze na etapie wstępnegoprojektu sprawdzić poprawność założeń.