CN109657368B - 一种空调散热器的优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种空调散热器的优化方法，涉及空调技术领域。所述空调散热器的优化方法包括如下步骤：建立三维流场实体模型；根据所述三维流场实体模型建立有限元模型；提交计算；获取计算结束时所有所述温度值监测点的模拟温度Ti和关于有限元分析过程的调用文件；计算所有所述温度值监测点的模拟温度Ti与所述温度值监测点对应的实测温度Ti0的误差值αi＝(Ti‑Ti0)/Ti0·100％；判断所有的所述误差值是否全部满足：|αi|<c％：是，进行模型优化判断；否，对所述调用文件进行修改，重新提交计算。本发明利用离散化方法，真实再现流体运动、热传导/交换等过程，可在精确分析结果的指导下设计出成本低、性能好的产品。

Description

一种空调散热器的优化方法
技术领域
本发明涉及空调器技术领域，特别涉及一种空调散热器的优化方法。
背景技术
变频控制模块的电子元件的发热问题已成为限制空调功率提升的主要问题点。而电子元件的热量需要借助散热器和室外机主风扇传出室外机，一旦热量无法有效地排出，将使电子元件温度过高而失效，从而导致空调性能下降，甚至无法运行。散热器结构是提高散热效果的关键因素，传统的散热器设计多从主观经验出发，耗时长、成本高且难以对散热器详细参数进行细致探索。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种空调散热器的优化方法利用离散化方法，对优化散热器结构进行优化。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种空调散热器的优化方法，包括如下步骤：
包括如下步骤：
S1:建立关于空调散热器的三维流场实体模型；
S2:将所述三维流场实体模型导入有限元分析软件，根据所述三维流场实体模型建立有限元模型，包括：网格划分，以及材料参数、边界条件、流场模型和能量方程的设定；在所述有限元模型中设定温度值监测点i和所述温度值监测点处的热源功率Pi；
S3:提交所述空调散热器散热过程的模拟计算；
S4:待计算完成，获取计算结束时所述温度值监测点对应的模拟温度Ti和关于有限元分析模型的调用文件；
S5:分别计算所述温度值监测点对应的模拟温度Ti与所述温度值监测点对应的实测温度Ti0的误差值αi＝(Ti-Ti0)/Ti0·100％；
S6:判断所述误差值是否全部满足：|αi|<c％，其中，c为常数：是，进行模型优化判断；否，对所述调用文件进行修改，并将修改后的调用文件导入所述有限元分析软件，然后重复步骤S3-S6；
其中，所述模型优化判断为：判断Ti是否小于等于设定目标温度；是，所述三维流场实体模型即为优化结构；否，对所述三维流场实体模型进行修改，并重复步骤S2-S6。
可选地，所述对所述调用文件进行修改包括：将所述调用文件中的热源功率Pi修改为Pi(1-αiQk),其中Qk为收敛因子。
可选地，所述建立关于空调散热器的三维流场实体模型流体域的划分包括：流体域和实体域的划分；去除所述流体域内的实体零部件结构。
可选地，所述建立空调室外机三维流场实体模型包括：所述三维流场实体模型的优化，适于对所述三维流场实体模型进行几何清理。
可选地，包括：在所述建立空调室外机三维流场实体模型后，和所述将所述三维流场实体模型导入有限元分析软件前，将所述三维流场实体模型进行整合。
可选地，所述网格划分包括对网格质量进行检查，判断所述网格质量是否满足计算要求；不满足计算要求则对网格进行优化，直到所述网格满足计算要求。
可选地，所述三维流场实体模型包括散热器模型，所述散热器模型采用参数化建模。
可选地，所述对所述三维流场实体模型进行修改包括：对散热器模型的几何尺寸进行修改。
可选地，所述能量方程设定为雷诺平均方法能量方程。
可选地，所述流场模型设定为标准k-ε湍流模型。
相对于现有技术，本发明所述的空调散热器的优化方法具有以下优势：
本发明采用双重判断，一方面提高了整个散热器模型优化的准确度；另一方面，避免了直接进行模型优化判断所造成的三维流场实体模型重建频繁的问题，减少了不必要的麻烦。此外，设置温度值监测点，采用点热源的方式对电子元件的功率进行了简化，避免了有限元模型中采用面热源或者体热源造成的模型重建时热源功率的大幅度修改。
本发明通过计算流体力学(CFD)很好地解决了上述问题，利用离散化方法，真实再现流体运动、热传导/交换等过程，可在精确分析结果的指导下设计出成本低、性能好的产品。在流&热分析过程中，仅需在原模型基础上进行修改，重复计算，即可得到结构变化对散热性能的影响。该方法相较于传统温升实验，可有效减少研发成本，缩短产品研发周期，加快产品上市进度，从而提高企业产品竞争力。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的空调散热器的优化方法流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种空调散热器的优化方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1:建立关于空调散热器的三维流场实体模型；
S2:将所述三维流场实体模型导入有限元分析软件，根据所述三维流场实体模型建立有限元模型，包括：网格划分，以及材料参数、边界条件、流场模型和能量方程的设定；在所述有限元模型中设定一个或者多个温度值监测点1,2,3……i和所有所述温度值监测点处的热源功率Pi；
S3:提交所述空调散热器散热过程的模拟计算；
S4:待计算完成，获取计算结束时所有所述温度值监测点的模拟温度Ti和关于有限元分析过程的调用文件；
S5:分别计算所有所述温度值监测点对应的模拟温度Ti与所述温度值监测点对应的实测温度Ti0的误差值αi＝(Ti-Ti0)/Ti0·100％；
S6:判断所有的所述误差值是否全部满足：|αi|<c％，其中，c为常数：是，进行模型优化判断；否，对所述调用文件进行修改，并将修改后的调用文件导入所述有限元分析软件，然后进行所述提交计算和所述提交计算后所有步骤，即重复步骤S3-S6；
其中，所述模型优化判断为：判断Ti是否小于等于设定目标温度；是，所述三维流场实体模型即为优化结构；否，对所述三维流场实体模型进行修改，并重复所述建立空调室外机三维流场实体模型后所有步骤，即重复步骤S2-S6。
通过有限元仿真分析的方法对空调散热器的散热过程进行模拟，再现了电子元件的散热情况，本方法不断对有限元模型进行校准，提高有限元模型的精确度，使有限元模型更能精确的反映实际模型的散热过程，通过模型的校准后，得到最优的空调散热器结构。此外，设置温度值监测点，采用点热源的方式对电子元件的功率进行了简化，避免了有限元模型中采用面热源或者体热源造成的模型重建时热源功率的大幅度修改。
需要说明的是，S1步骤中，建立关于空调散热器的三维流场实体模型在Creo三维绘图软件中进行，所述建立空调室外机三维流场实体模型包括：所述三维流场实体模型的优化，适于对所述三维流场实体模型进行几何清理。如：对所述三维流场实体模型进行简化处理，去除压缩机、管路等流场相关性较小的零部件，另外去除掉部分包括小工艺孔、小倒角、小圆角以及其他对仿真结果影响不大的细节特征，主要包括所有小于2mm的倒角和圆角，所有直径小于1mm的工艺孔，以及其他关键部位对仿真结果影响不大的细节特征。对三维流场实体模型的流体域和实体域进行划分，所述流体域包括：进口域、出口域、冷凝器域、箱体域和叶轮旋转域等，去除所述流体域内的实体零部件结构，所述实体域包括；散热器和发热元件，将所述三维流场实体模型另存为为STP格式。
可替换地，所述关于空调散热器的三维流场实体模型采用其他三维实体建模软件，诸如：UG，Proe，Solidworks等，但前提是三维实体模型的格式需要得到有限元建模软件的支持，因此，有限元建模软件不支持的三维实体模型的格式通常需转换为通用的格式，比如：Stp或者Xt等格式。
可选地，所述三维流场实体模型包括散热器模型，所述散热器模型采用参数化建模。采用参数化建模的好处在于，避免了后期对所述三维流场实体模型进行重建时重复地对复杂曲线结构进行建模，修改模型时，仅在调节散热器参数，不删除/新增装配体零部件。
可选地，在所述建立空调室外机三维流场实体模型后，和所述将所述三维流场实体模型导入有限元分析软件前，将所述三维流场实体模型进行整合。此处，将所述三维流场实体模型导入模型处理软件Design Modeler中，将所有零散的零部件整合为1个整体。这样设置的好处在于，通过模型的整合，可以减小在有限元分析过程中不收敛的情况发生。
S2步骤中，将所述三维流场实体模型导入有限元软件Mesh中，选择相应边界面，分别将Physics/Solver Preference设定为CFD/Fluent，进行网格的划分，包括：边界集的命名、网格参数设定、网格生成和有限元网格模型的输出；可选地，在网格生成后，对网格质量进行检查，判断所述网格质量是否满足计算要求；不满足计算要求则对网格进行优化，直到所述网格满足计算要求。这里，可以设定以skewness<0.8为判定网格质量满足计算的要求。
然后将所述有限元网格模型传输至有限元分析软件FLUENT中，材料参数、边界条件、流场模型和能量方程的设定；在所述有限元模型中设置的温度值监测点和所述有限元模型的热源功率Pi，其中，i相当于也是所述温度值监测点的个数。其中，所述有限元模型中的气体、散热器、电子元件对应的材料参数，为各个域设定对应的材料，且与实际材料相同；在所述叶轮旋转域设置相应旋转中心、旋转速度，为电子元件设置热源功率；在所述有限元模型的流场的进出口的环境温度值、压力值与实测工况保持一致，其余非重合面及不同材料域的交界面设为Wall。可选地，所述能量方程设定为雷诺平均方法能量方程；所述流场模型设定为标准k-ε湍流模型。根据所述三维流场实体模型建立有限元模型的建立还包括：残差限值和迭代步的设定，其中，所述残差限值小于0.001，迭代步大于5000。其中，k-ε湍流模型中的k和ε的物理意义：k是紊流脉动动能(J)，ε是紊流脉动动能的耗散率(％)，k越大表明湍流脉动长度和时间尺度越大，ε越大意味着湍流脉动长度和时间尺度越小，它们是两个量制约着湍流脉动。
需要说明的是，所述温度值监测点的个数可以为多个，这里所述温度值监测点设置为4个，所述有限元模型包括发热元件模型，所述温度值监测点位于发热元件模型的网格节点处，所述温度值监测点处的热源功率Pi指的是每个温度值监测点处的功率值，这里在热源功率Pi的设置时，需分别对每一个所述温度值监测点处的功率值进行设置。
通常情况下，有限元分析软件大多数具有一定的有限元前处理功能，如：Ansys,Abaqus，MSC.Marc等，也可以实现有限元模型的建立。
需要说明的是，S2步骤中材料参数、边界条件、流场模型和能量方程的设定、设定在所述有限元模型中设置的温度值监测点、设定所述有限元模型的热源功率Pi等操作的先后顺序可以调整，任何对S2中操作的先后顺序进行改变的技术方案均属于本发明所保护的范畴。
S3和S4步骤中，当所述有限元模型建立完成后，直接进行计算，待计算完成，获取计算结束时所有所述温度值监测点的模拟温度Ti和关于有限元分析过程的调用文件。这里，也可以对其他结果进行提取，例如：各元件温度值、温度云图等。此处，采用VB编写的热源修正程序进行所述温度值监测点的模拟温度Ti、迭代计算和关于有限元分析过程的调用文件的输出和导入，这里的迭代次数k指的是提交计算的次数。这里需要说明的是，由于对模型进行修改后，可能会多次提交计算，对于每次迭代后，计算结束时所有所述温度值监测点的模拟温度记为Tik。这样设置的好处在于，通过子程序的调用实现了有限元仿真分析的结果的输出与导入，避免了重复在有限元分析软件中进行改写。此外，设置温度值监测点，采用点热源的方式对电子元件的功率进行了简化，避免了有限元模型中采用面热源或者体热源造成的模型重建时热源功率的修改。
S5步骤中，当所述温度值监测点有多个时，分别计算所有所述温度值监测点的模拟温度Ti与所述温度值监测点对应的实测温度Ti0的误差值αi＝(Ti-Ti0)/Ti0·100％；这里，也就是说在每次计算完成后均会进行一次计算，那么对于每次提交计算后所有所述温度值监测点的模拟温度Ti与所述温度值监测点对应的实测温度Ti0的误差值αi实际为αik，αik＝(Tik-Ti0)/Ti0·100％。
S6步骤中，判断所有的所述误差值是否全部满足：|αi|<1％：是，进行模型优化判断；否，对所述调用文件进行修改，并将修改后的调用文件导入所述有限元分析软件，然后进行所述提交计算和所述提交计算后所有步骤；
其中，所述模型优化判断为：判断Ti是否小于等于设定目标温度；是，所述三维流场实体模型即为优化结构；否，对所述三维流场实体模型进行修改，并重复所述建立空调室外机三维流场实体模型后所有步骤。这里，采用双重判断，一方面提高了整个散热器模型优化的准确度；另一方面，避免了直接进行模型优化判断所造成的三维流场实体模型重建频繁的问题，减少了不必要的麻烦。
可选地，所述对所述调用文件进行修改包括：将所述调用文件中的热源功率Pi修改为Pi(1-αiQk),其中Qk为收敛因子。这样设置的好处在于，这里仅仅是对热源功率进行修改，热量为电子元件发热的根本原因所在，而热源功率直接反映电子元件发热情况，电子元件的实际温度则为电子元件工作过程的表象，但如果功率不同，电子元件在经历相同工作时间后的温度很显然不同，因此温度值具备不确定性。通过流场模型的设定，再现了电子元件的散热情况，基于误差值，在理性的范围内对热源功率进行更改，保证了整个分析过程中的准确性，避免功率的遗漏导致的最优结果的遗漏或者避免过多的功率更改导致的过多的计算分析过程。需要说明的是，当对热源功率进行修订时，仅对调用文件中的热源功率进行修订，不需要对所述有限元模型中的热源功率进行修订。此外，此处不需要对散热器三维实体模型、散热器有限元模型进行修改，将所述散热器三维实体模型的修改转化为条件式的修改，变换到误差判断之后的模型优化判断之中，使有限元分析简化，避免了不断进行模型修改所造成的不必要的麻烦。如果存在多次迭代，那么可以将首次进行计算时的所述热源功率Pi看作是Pi0,那么每一次提交计算时的热源功率为Pi(k-1)，实际是将所述热源功率Pi(k-1)修订为Pik，Pik＝Pi(k-1)(1-αikQk)，其中，Qk可设为0～3范围内的常数，也可以将Qk设定为Qk＝Ti0(PI(k-1)-Pi(k-2))/(Tik-Ti(k-1))(k≥1)，Q1＝1，这样设置的好处在于，可以提高实际散热器的功率优化时的精度。所述对所述三维流场实体模型进行修改包括：对散热器模型的几何尺寸进行修改。本实施例的好处在于，通过计算流体力学(CFD)很好地解决了上述问题，利用离散化方法，真实再现流体运动、热传导/交换等过程，可在精确分析结果的指导下设计出成本低、性能好的产品。在流&热分析过程中，仅需在原模型基础上进行修改，重复计算，即可得到结构变化对散热性能的影响。该方法相较于传统温升实验，可有效减少研发成本，缩短产品研发周期，加快产品上市进度，从而提高企业产品竞争力。同时，采用双重判断，提高了整个散热器模型优化的准确度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空调散热器的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:建立关于空调散热器的三维流场实体模型；
S2:将所述三维流场实体模型导入有限元分析软件，根据所述三维流场实体模型建立有限元模型，包括：网格划分，以及材料参数、边界条件、流场模型和能量方程的设定；在所述有限元模型中设定温度值监测点i和所述温度值监测点处的热源功率Pi；
S3:提交所述空调散热器散热过程的模拟计算；
S4:待计算完成，获取计算结束时所述温度值监测点对应的模拟温度Ti和关于有限元分析模型的调用文件；
S5:计算所述温度值监测点对应的模拟温度Ti与所述温度值监测点对应的实测温度Ti0的误差值αi＝(Ti-Ti0)/Ti0·100％；
S6:判断所述误差值是否满足：|αi|<c％，其中，c为常数：是，进行模型优化判断；否，对所述调用文件进行修改，并将修改后的调用文件导入所述有限元分析软件，然后重复步骤S3-S6；
其中，所述模型优化判断为：判断Ti是否小于等于设定目标温度；是，所述三维流场实体模型即为优化结构；否，对所述三维流场实体模型进行修改，并重复步骤S2-S6。
2.根据权利要求1所述的空调散热器的优化方法，其特征在于，所述对所述调用文件进行修改包括：将所述调用文件中的热源功率Pi修改为Pi(1-αiQk),其中Qk为收敛因子。
3.根据权利要求2所述的空调散热器的优化方法，其特征在于，所述建立关于空调散热器的三维流场实体模型流体域的划分包括：流体域和实体域的划分；去除所述流体域内的实体零部件结构。
4.根据权利要求3所述的空调散热器的优化方法，其特征在于，所述建立空调室外机三维流场实体模型包括：所述三维流场实体模型的优化，适于对所述三维流场实体模型进行几何清理。
5.根据权利要求4所述的空调散热器的优化方法，其特征在于，包括：在所述建立空调室外机三维流场实体模型后，和所述将所述三维流场实体模型导入有限元分析软件前，将所述三维流场实体模型进行整合。
6.根据权利要求5所述的空调散热器的优化方法，其特征在于，所述网格划分包括对网格质量进行检查，判断所述网格质量是否满足计算要求；不满足计算要求则对网格进行优化，直到所述网格满足计算要求。
7.根据权利要求1所述的空调散热器的优化方法，其特征在于，所述三维流场实体模型包括散热器模型，所述散热器模型采用参数化建模。
8.根据权利要求7所述的空调散热器的优化方法，其特征在于，所述对所述三维流场实体模型进行修改包括：对散热器模型的几何尺寸进行修改。
9.根据权利要求1所述的空调散热器的优化方法，其特征在于，所述能量方程设定为雷诺平均方法能量方程。
10.根据权利要求1所述的空调散热器的优化方法，其特征在于，所述流场模型设定为标准k-ε湍流模型。
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