CN1423114A - 一种确定电子设备风道特性曲线的虚拟测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种确定电子设备风道特性曲线的虚拟测试方法,包括下列步骤:虚拟建模,在“计算流体力学”仿真软件虚拟环境中建立设备的结构模型,包括设备机架和机架内各零部件的几何模型、位置及装配关系；设定虚拟测试环境；进行网格划分等前处理；进行鼓风或抽风虚拟测试；测试数据处理；生成风道特性曲线,将虚拟测试得到的一组风道阻力和对应风道风量,进行插值拟合处理,所得到的曲线就是设备的风道特性曲线。这种方法在设备方案设计阶段就通过虚拟测试确定了风道特性曲线,方便了风机的选取和整个热设计、结构设计方案的确定,节省了产品开发时间,避免了设计反复带来的浪费。
Description
(一)技术领域
本发明涉及获取电子设备风道特性曲线的一种处理方法，尤其涉及一种确定电子设备风道特性曲线的虚拟测试方法。
(二)背景技术
现有获取电子设备风道特性曲线的方法有：
1.测试法
通过对样机的测试，得到数个离散的风道阻力和对应风道风量，然后插值拟合得到设备风道特性曲线。显然测试法只能在样机完成后才能实施。
为了避免设计过程的反复，降低设计成本，缩短设计周期，热设计与电路和结构设计需同步进行。热设计工程师需要根据电路和结构设计方案，确定热设计方案，选定所需风机，并将热设计和风机选择方案反馈给结构设计工程师。这就要求热设计工程师在方案设计阶段根据结构设计方案确定风道特性曲线。
目前，要想在方案设计阶段就确定风道特性曲线，只有下述两种方法：
2.经验估计法
参考以往相似设计实例的风道特性，估计当前设计对象的风道特性。使用这种方法必须满足两个前提条件：1)设计者有非常丰富的热设计和风机选用经验；2)所参考的实例与当前设计对象非常相似。在新产品开发过程中，这两个前提条件很难同时满足。
3.工程估算法
根据经验公式，通过计算得到数个离散的风道阻力和对应风道风量，插值拟合得到风道特性曲线。计算所用经验公式涉及风道各段几何参数、沿程阻力系数及各处局部阻力系数。电子设备内风道的几何形状复杂，变化也大，很难确定各处参数和系数值。因此计算过程非常烦琐，需花费大量时间。
鉴于上述原因，经验估计和工程估算得到的结果，与样机完成后由测试法得到的结果比较，肯定存在较大误差，实际设计过程中，免不了在测试法辅助下对经验估计和工程估算结果的多次修正，这必然会导致不必要的浪费并延长开发周期。
(三)发明内容
本发明的目的是提供一种确定电子设备风道特性曲线的虚拟测试方法，使得在电子设备方案设计阶段就能够确定其风道特性曲线，并且这种风道特性曲线确定方法，不再依赖于对样机的测试，节省了开发时间，并避免了设计反复带来的浪费，为风机的选取和整个热设计、结构设计方案的尽早确定创造条件。
本发明所提供的一种确定电子设备风道特性曲线的虚拟测试方法，包括下列步骤：
1)虚拟建模：在“计算流体力学”仿真软件虚拟环境中建立设备的结构模型，包括设备机架和机架内各零部件的几何模型、位置及装配关系；
2)设定虚拟测试环境：设备周围环境的相对压力为0帕斯卡；设备周围环境的风速为0米/秒；设备周围环境温度和设备内初始温度为相同温度；参考压力为1个标准大气压；
3)前处理：按“计算流体力学”仿真软件中的网格划分原则，进行网格划分；
4)虚拟测试：进行鼓风测试或抽风测试：
A.鼓风测试，在设备进风口处放置一个风源提供风量，风源四周与进风口四周对齐；在机架内部、进风口附近、靠近风口的中间位置放置一压力监测点，检测该处压力变化；
B.抽风测试，在设备出风口处放置一个风源提供风量，风源四周与出风口四周对齐；在机架内部、出风口附近、靠近风口的中间位置放置一监测点，检测该处压力变化；
让风源风量从0米/秒开始按一定步长定量增加，风量每增加一个步长，仿真软件做一次求解；
记录风量变化及对应监测点处的压力值，得到一组监测点压力—风源风量；
5)测试数据处理：根据所设定的虚拟试验环境，鼓风测试时，特定风源风量下设备风道阻力为：该风量下软件求解收敛后监测点处的压力值减去设备周围环境的相对压力。鼓风时设备内压力为正，设备周围环境的相对压力为0帕斯卡，所以设备风道阻力在数值上就等于对应风量下软件求解收敛后监测点处的压力值；抽风测试时，特定风源风量下设备风道阻力为：设备周围环境的相对压力减去该风量下软件求解收敛后监测点处的压力值。抽风时设备内压力为负，设备周围环境的相对压力为0帕斯卡，所以设备风道阻力在数值上就等于对应风量下软件求解收敛后监测点处的压力值的绝对值。
风源风量在设备内没有损失，风道风量就等于风源风量。
6)生成风道特性曲线：将虚拟测试得到的这组风道阻力和对应风道风量，进行插值拟合处理，所得到的曲线就是设备的风道特性曲线。
采用了上述的方法，通过在CFD(计算流体力学)仿真软件中建立设备的结构模型和虚拟的测试环境，进行虚拟测试，得到一组风道阻力和对应风道风量，插值拟合后得到风道特性曲线。这种方法在设备方案设计阶段就通过虚拟测试确定了风道特性曲线，方便了风机的选取和整个热设计、结构设计方案的确定，节省了产品开发时间，避免了设计反复带来的浪费。
(四)附图说明
图1本发明确定电子设备风道特性曲线虚拟测试方法流程图；
图2本发明实施例中在虚拟软件环境中建立的电子设备的结构模型；
图3对本发明实施例实施虚拟测试得到的设备风道特性曲线。
(五)具体实施方式
下面是一个实施例在CFD仿真软件Flotherm3.1中的具体实施步骤和实施结果。为了方便在该仿真软件中对实施的参考对照，括号内列出了部分概念在仿真软件中的原始表达方式。
本发明实施的流程图如图1所示：
1)虚拟建模
在CFD(计算流体力学)仿真软件虚拟环境中建立设备的结构模型。包括设备机架和机架内各零部件的几何模型、位置及装配关系。
在Flotherm3.1提供的虚拟环境中建立设备的结构模型如图2所示。出风口1在机架9的顶部，进风口4在机架9的前面底部。采用底部进风，顶部出风方式。单板2垂直放置，上下共有两层。电源3置于机架底部。
为了防止空气在碰到电源3和机架9后面板时产生过多的动量损失，在电源3前方放置导流板5，在机架9后面板的前方放置导流板7，以减少涡流的产生。为了满足EMC(电磁兼容性)设计的要求，进、出风口处都安装了丝网，丝网在Flotherm中是通过在进、出风口上赋予丝网的属性表现的，无需反应具体结构，因此观察不到。
为了提高计算速度，所建模型只设定了设备的几何参数和各零部件表面粗糙度，没有设定物理参数，如导热系数、密度、比热等；将计算模型(Type ofSolution)设定为只计算流体流动特性，不计算传热(Flow only)。这样软件在运算过程中只计算动量守恒方程和质量守恒方程，无需计算能量守恒方程。
2)设定虚拟测试环境
将设备周围环境的相对压力(Ambient Attribute/Gauge Pressure)设定为0Pa；
将设备周围环境的风速(Ambient Attribute/External Velocity)设定为0m/s；
将设备周围环境温度(Ambient Attribute/Temperature)和设备内初始温度(Global System Setting/External Ambient Temperature)都设定为35℃；
将参考压力(Global System Setting/Datum Pressure)设定为1 Atm。
3)前处理
主要是划分网格。网格的划分遵循CFD软件中网格划分的一般原则：防止奇异网格的产生。注意网格的数量和计算精度并不是线性关系，在保证必要精度的前提下，网格数量尽量少，以提高计算速度。
4)虚拟测试
采用鼓风测试方式。
在设备进风口处放置一个固定流量式(Fixed Volume)矩形风机(Rectangular Fan)，风机在厚度方向没有几何尺寸，风机在壁面方向与进风口大小相等，四面对齐。在机架内部、靠近进风口的中间位置放置一监测点(Monitor Point)。
利用Flotherm3.1的参数化设计功能，在Flotherm指令中心(CommandCenter)中将风机风量设定为输入变量(Input Variables)，将监测点的压力设定为输出变量(Output Variables)，并让风机风量从0m3/s开始，按0.05m3/s步长(Step Size)增加。风机风量的每一步对应一个解算项目(Scenario)，在指令中心中对各Scenario集体求解，各Scenario收敛后得到一组监测点压力——风机风量，如表-1所示。
表-1
| 求解次序 | 风机风量(立方米/秒) | 求解状态 | 监测点压力(帕斯卡) |
| 0 | 0 | 收敛 | 7.35E-06 |
| 1 | 0.05 | 收敛 | 0.189449 |
| 2 | 0.1 | 收敛 | 0.748043 |
| 3 | 0.15 | 收敛 | 1.67559 |
| 4 | 0.2 | 收敛 | 2.97205 |
| 5 | 0.25 | 收敛 | 4.63657 |
| 6 | 0.3 | 收敛 | 6.66925 |
| 7 | 0.35 | 收敛 | 9.06921 |
| 8 | 0.4 | 收敛 | 11.836 |
| 9 | 0.45 | 收敛 | 14.9699 |
| 10 | 0.5 | 收敛 | 18.4711 |
5)测试数据处理
风机风量在设备内没有损失，风道风量就等于风机风量。
本实施例采用鼓风测试方式，鼓风时设备内压力为正，设备周围环境的相对压力为0帕斯卡，设备风道阻力在数值上就等于对应风量下监测点处的压力值。根据表-1得到一组设备风道阻力及对应风道风量，如表-2所示。
表-2
| 风道风量(立方米/秒) | 设备风道阻力(帕斯卡) |
| 0 | 7.35E-06 |
| 0.05 | 0.189449 |
| 0.1 | 0.748043 |
| 0.15 | 1.67559 |
| 0.2 | 2.97205 |
| 0.25 | 4.63657 |
| 0.3 | 6.66925 |
| 0.35 | 9.06921 |
| 0.4 | 11.836 |
| 0.45 | 14.9699 |
| 0.5 | 18.4711 |
6)生成风道特性曲线
利用Flotherm3.1指令中心中自带的曲线生成(Chart/Create)功能，根据表-2的处理数据，直接输出设备的风道特性曲线，如图3所示。
由鼓风测试和抽风测试得到的风道特性曲线会略有不同。在相同风量下，风道内各段风速在鼓风和抽风时不相同，各段风道的阻力(数值上等于风在这段风道内产生的压力损失)与该段风速相关，因此鼓风测试和抽风测试得到的风道阻力会有少许差别。建议采用鼓风冷却的设备选用风机时参考鼓风测试得到的风道特性曲线；采用抽风冷却的设备选用风机时参考抽风测试得到的风道特性曲线。
Claims (1)
1.一种确定电子设备风道特性曲线的虚拟测试方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)虚拟建模
在“计算流体力学”仿真软件虚拟环境中建立设备的结构模型，包括设备机架和机架内各零部件的几何模型、位置及装配关系；
2)设定虚拟测试环境
设定：设备周围环境的相对压力为0帕斯卡；设备周围环境的风速为0米/秒；设备周围环境温度和设备内初始温度为相同温度；参考压力为1个标准大气压；
3)前处理
按“计算流体力学”仿真软件中的网格划分原则，进行网格划分；
4)虚拟测试
进行鼓风测试或抽风测试：
A.鼓风测试
在设备进风口处放置一个风源提供风量，风源四周与进风口四周对齐；在机架内部、进风口附近、靠近风口的中间位置放置一压力监测点，检测该处压力变化；
B.抽风测试
在设备出风口处放置一个风源提供风量，风源四周与出风口四周对齐；在机架内部、出风口附近、靠近风口的中间位置放置一监测点，检测该处压力变化；
让风源风量从0米/秒开始按一定步长定量增加，风量每增加一个步长，仿真软件做一次求解；
记录风量变化及对应监测点处的压力值，得到一组监测点压力一风源风量；
5)测试数据处理
根据所设定的虚拟试验环境，鼓风测试时，特定风源风量下设备风道阻力为：该风量下软件求解收敛后监测点处的压力值减去设备周围环境的相对压力；抽风测试时，特定风源风量下设备风道阻力为：设备周围环境的相对压力减去该风量下软件求解收敛后监测点处的压力值；
风源风量在设备内没有损失，风道风量就等于风源风量；
6)生成风道特性曲线
将虚拟测试得到的这组风道阻力和对应风道风量，进行插值拟合处理，所得到的曲线就是设备的风道特性曲线。
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|---|---|---|---|---|
| CN1725224B (zh) * | 2004-07-21 | 2010-08-18 | 株式会社日立工业设备技术 | 运送装置设计支持方法 |
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