Icepak培训中文教程[整理版]

Icepak培训中文教程[整理版] 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 1.1 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。 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 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。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( - 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 -0.025 xE 0.075 yS 0 yE 0.25 zS 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: xS 0 xE 0.006 yS 0 yE 0.25 zS 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 0.006 xE 0.075 yS 0 yE 0.25 zS 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. (c) 点击 Geometry. (d) 输入如下坐标: xC 0.04 yC 0.0475 zC 0 (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 0.01 kg/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 0.0775 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. (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 xS 0 xE -- yS 0.0315 yE 0.0385 zS 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. 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 0.045 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. (c) 点击 Geometry. (d) 在在Plane 下拉菜单, 选择 X-Z (e) 输入如下坐标: xS 0.006 xE 0.075 yS 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. 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 0.025 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. (c) 点击 Geometry. (d) 输入如下坐标: xS 0 xE -0.025 yS 0 yE 0.25 zS 0 zE -- (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 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 -0.025 yS 0 yE 0.25 zS 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 -0.025 yS 0 yE -- zS 0 zE 0.356 o Thermal data: External conditions, Heat trans coeff = 15 , wall.4: o Plane: X-Z o Start/end: xS 0 xE -0.025 yS 0.25 yE -- zS 0 zE 0.356 o Thermal data: External conditions, Heat trans coeff = 15 , wall.5: o Plane: Y-Z o Start/end: xS -0.025 xE -- yS 0 yE 0.25 zS 0 zE 0.356 o 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0.004 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. 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0.005 m, 功耗5 W. 它放置在一个 0.002 m 0.2 m 0.3 m 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 project 面板出现. 3. 给定一个项目名称 (a) 给出名称为radiation. (b) 点击 Create. Icepak 就会生成一个1 m 1 m 1 m的机柜。 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. 改变问题设置 Problem setup Basic parameters (a) 打开重力开关Gravity vector 并保持缺省设置。 (b) 点击Accept 保存新设置。 步骤 2: 建立模型 建模之前，你需要首先改变 1. 改变机柜大小机柜的大小。然后你建立导热实体block, the plate, two openings, and two walls. Model Cabinet 双击Cabinet 显示出 Cabinet 面板. 你也可以通过点击button 实现。 (a) 在 Cabinet面板里, 点击 Geometry. (b) 输入如下坐标: xS 0 xE 0.15 yS 0 yE 0.3 zS 0 zE 0.2 (c) 点击 Update 及 Done 来关闭窗口. (d) 在 Orient 菜单里, 选择 Scale to fit. 2. 建立导热block. (a) 点击 button 建立一个新的block, 点击 button 打开 Blocks 面板. Icepak 将在机柜的中心生成一个新的block. 你需要改变block的尺寸及物性. (b) 点击 Geometry . (c) 输入如下坐标: xS 0.075 xE 0.08 yS 0.13 yE 0.17 zS 0.08 zE 0.12 (d) 点击 Properties . (e) 对于Block type, 保持 Solid. (f) 给定材料 i. 在 Thermal specification下,在 Solid material 下拉菜单里选择 Create material. 提示: 点击在 Solid material旁边的 button,打开下拉菜单. The Materials面板打开. ii. 点击 Properties. iii. 点击在 Conductivity旁边的Edit按钮. Temperature dependent solid conductivity 面板将打开. iv. 输入一个定值 Constant 为148 W/m-K 并点击 Accept. v. 点击 Done 密度( density )和热容(specific heat)在计算中用不到，所以用缺省值就可以 了。但是这两个值在计算瞬态(transient)问题时需要。 这样 Blocks 面板里就将 Solid material 改为 block.1 solid_material. (g) 设定Total power 为 5 W. (h) 点击 Done 来保存设置. 3. 建立plate (a) 点击 button 建立一个新的plate, 点击 button 打开 Plates 面板. 你需要改变plate的方向，尺寸及物性. (b) 点击 Geometry . (c) 点击 Plane 下拉菜单, 选择 Y-Z. (d) 输入如下坐标: xS 0.073 xE -- yS 0 yE 0.3 zS 0 zE 0.2 (e) 点击 Properties . (f) 在 Thermal model菜单下, 选择 Conducting thick. (g) 输入 Thickness 为 0.002 m. (h) 设定一个新的材料给plate i. 在 Solid material 下拉菜单中, 选择 Create material. ii. 在 Materials 面板中, 选择 Properties . iii. 点击Conductivity边上的 Edit button. The Temperature dependent solid conductivity 面板出现. iv. 输入一个定值0.3 W/m-K 并 Accept. v. 点击Materials 面板里的Done. Plates 面板将会显示Solid material 为 plate.1 sol_material. (i) 保持 Total power 为0 W. (j) 点击Done保存 Plates 设置. 4. 建立第一个opening. 因为两个 openings 位置相关，你可以生成一个并拷贝生成另一个. (a) 点击 button, 及 button 来打开 Openings 面板. 你可以在此面板下改变opening的方向及尺寸. (b) 点击 Geometry . (c) 在 Plane下拉菜单中, 选择 X-Z. (d) 输入如下坐标: xS 0 xE 0.15 yS 0 yE -- zS 0 zE 0.2 (e) 点击 Done 保存Openings设置. 5. copy第一个opening ( opening.1) 来生成第二个( opening.1.1). (a) 选择opening.1 (b) 点击 button. (c) 保持Number of copies为1 (d) 打开Translate 选项并设定 Y offset 为 0.3. (e) 点击 Apply. Icepak 就生成了第二个 opening.1.1. 6. 建立第一个 wall. (a) 点击 button, 及 button来打开 Walls 面板. Icepak 将在X-Y平面建立一个矩形的wall. 你需要改变wall的方向，尺寸及物性. (b) 点击 Geometry . (c) 在 Plane 的下拉菜单中, 选择 Y-Z. (d) 输入如下坐标: xS 0 xE -- yS 0 yE 0.3 zS 0 zE 0.2 (e) 点击 Properties . (f) 在Thermal data中, 选择 External conditions 及 Edit. Wall external thermal conditions 面板出现. i. 打开 Heat trans coeff 选择, 指定传热系数为 10 W/K-m . ii. 点击 Done. (g) 点击 Update 保存 Walls 的设置. 7. 建立第二个wall. (a) 点击 New 来生成第二个wall( wall.2): , Plane: Y-Z , Location: xS 0.15 xE -- yS 0 yE 0.3 zS 0 zE 0.2 , Thermal data: External conditions, Heat trans coeff = 10 W/K-m (b) 点击 Done 保存 Walls 的设置. 最后的模型如图 2.2所示, 另外: 物体名称也显示出来. 可以点击button来隐藏. 图 2.2: 辐射块和板的完整模型 8. 检查模型 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。 9. 检查物体定义 Ciew 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 对这个模型，你只需要一步来生成网格。你需要指定单个物体的网格设置以生成好的 网格来满足求解。. Model Generate Mesh 1. 生成网格 (a) 在 Mesh control 面板下, 设定 Max X size, Max Y size, and Max Z size 为 0.02. (b) 打开 Object params 选项并点击 Edit. Icepak 将打开Per-object meshing parameters 面板,你可以指定 block, 第一个 opening, 和 plate的网格. (c) 指定block的网格 i. 在 Per-object meshing parameters 面板下, 选择 block.1. ii. 打开 Use per-object parameters 选项. iii. 打开Low Y height 和 High Y height, 将Requested设置为 0.002 . 这个设定是保证block在上下两个表面的第一层网格的高度为0.002 m. (d) 设定第一个opening的网格 i. 在 Per-object meshing parameters 面板下, 选择 opening.1. ii. 打开Use per-object parameters 选项. iii. 打开Inward height 并设为 0.002. 这个设置是opening向内的第一层网格的高度为0.002 m. (e) 设定plate的网格 i. 在Per-object meshing parameters 面板中, 选择 plate.1. ii. 打开 Use per-object parameters 选项. iii. 打开 Low end height 和 High end height, 设为 0.002 这个设定是plate的外边的第一层网格为0.002 m. (f) 在 Per-object meshing parameters 面板下, 点击 Done 保存所有设置. (g) 点击 Generate mesh 来生成网格. Icepak会通知你有一些小的间隙. 如果 Minimum separation 出现，点击 Change value and mesh, 允许 Icepak 对你的模型做一点小小的改动并继续作网格. 2. 检查物体表面网格 (a) 点击Display. (b) 选择Surface 及 All objects. (c) 打开Display mesh 选项. 网格显示如图2.3所示. 图 2.3: 所有对象表面的网格 3. 检查切面网格 (a)关闭Display mesh 和 Surface 选项. (b) 打开Cut plane 选项. (c) 在Set position 下拉菜单中选择Point and normal. (d) 显示X-Y平面的网格 i. 对于 ( PX, PY, PZ)保持缺省设置 ( 0, 0, 0.1), 及 ( NX, NY, NZ)为 ( 0, 0, 1) ii. 打开 Display mesh 选项. 网格显示平面与plate垂直. iii. 用滑杆改变切面的位置。 (e) 显示Y-Z和X-Z平面的网格 i. 关闭 Display mesh 选项. ii. 设置( PX, PY, PZ) 为 ( 0, 0, 0.1) 及 ( NX, NY, NZ) 为 ( 1, 0, 0) 或 ( 0, 1, 0). 这些设置将显示Y-Z和X-Z平面的网格。 打开Display mesh 选项. 4. 关闭网格显示 (a) 不选 Display mesh 选项. (b) 点击 Close. 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 button. (b) 检查Message 窗口里的信息. 7得到的Reynolds 和 Peclet 数分别是1.5 10 和 , 所以应该是laminar. 由 于缺省是laminar所以不需要改变. (c) 点击 Accept. 步骤 5: 保存没有辐射的模型 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: 计算没有辐射的模型 1. 设置迭代次数为200. Solution settings Basic settings (a) 输入200. (b) 点击 Accept. 2. 开始计算 Solve Run solution 注意你也可以点击button. (a) 在 Solve面板下, 输入 no-rad00 作为 Solution ID. (b) 点击 Start solution. 计算将在大约100 iterations结束. 注意,计算步数在不同的计算机上略有区别。 步骤 7:检查没有辐射的结果 本练习目的是比较block 和 plate 的温度在考虑与不考虑不辐射情况下的区别。 这一步，你将看到没有辐射情况下的温度分布。下一步,你将计算并可以看到考虑辐射后 的结果。 1. 显示block 和 plate的温度. Post Object face (a) 在 Object 下拉菜单中, 选择block.1和plate.1并点击 Accept. (b) 打开 Show contours 选项并点击 Parameters. (c) 在Object face contours面板里,保持 Contours of下拉菜单里的 Temperature . (d) 对于Shading options, 保持 Banded. (e) 对于Color levels, 选择 Calculated 及 This object. (f) 点击 Done. 图 2.4 显示 block 和 plate上的温度分布. Block上面板的温度显示了自然对流的 效果。. (g) 在 Object face 面板里， 关闭Active 并点击 Done. 图 2.4: Block和Plate的温度云图(没有辐射) 步骤 8: 增加辐射 在这一步你将增加辐射。 1. 打开辐射开关。 Model Radiation (a) 在 Radiation enabled 这一列下, 选择 block.1, plate.1, wall.1, 和 wall.2. 这时可能会跳出一个窗口，问到要改变当前模型，而后处理还是前面模型的结果。只 需要点击Ok button. (b) 在 Form factors 面板中,点击 Compute. Icepak 将计算角系数，参照用户

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中 25 关于辐射的详细描述. (c) 点击 Close. 2. 指定辐射率 由于辐射率对所有面都是一样的1, 你只需要改变缺省设置中的值。 Problem setup Basic parameters (a) 在 Default surface下拉菜单中, 选择 View definition. Icepak 将报告一个信息窗口，辐射率是 Steel-Oxidised-surface 0.8. 你可以创建 一种新材料指定辐射率为1. (b) 在 Default surface 下拉菜单中, 选择 Create material. 这时可能会跳出一个窗口，问到要改变当前模型，而后处理还是前面模型的结果。只 需要点击Ok button. Materials 面板出现. (c) 在 Materials 面板中, 点击 Properties . (d) 设置 Emissivity 为 1. (e) 点击 Done. 这样Basic parameters 面板中 Default surface 材料将是 default_surface_material. (f) 点击 Accept. 3. 保存新模型 File Save project 步骤 9: 计算有辐射的模型 Solve Run solution 1. 指定一个新的 Solution ID 为rad00. 2. 点击 Start solution. 计算将在大约100 iterations结束. 注意, 计算步数在不同的计算机上略有区别。 步骤 10: 检查有辐射的结果 1. 调用最新的计算结果 Post Load solution ID 在 Version selection 面板中你可以选择最新的工况 ( rad00). 2. 显示温度云图 Post Object face (a) 在 Object 下拉菜单中, 选择block.1和plate.1. (b) 打开 Show contours 选项并点击 Parameters. (c) 在Object face contours面板里,保持 Contours of下拉菜单里的 Temperature . (d) 对于Shading options, 保持 Banded. (e) 对于Color levels, 选择 Calculated 及 This object. (f) 点击 Done. 图 2.5 显示有辐射的温度分布。 图 2.5: Block和Plate温度云图(考虑辐射) 比较有/没有辐射的计算结果(图 2.4 和 2.5) 可以看出辐射使最高温度下降了约 31 C. 总结 本练习中，你建立并求解了一个没有/有辐射的问题. 计算结果显示出考虑辐射后最高温度下降了约31 C, 因此对该模型来讲辐射是很重要的。