Tiểu luận phân tích dòng chảy chảy tản nhiệt

phân tích dòng chảy dưới tác dụng của tản nhiệt trong hệ thống làm mát của cpu , phân tích quá trình làm mát hướng dẫn các bước thực hiện tạo model , phân tích , tạo lưới ...phân tích áp suất có thể chịu được phân tích vận tốc phân tích nhiệt học

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY CƠ LƯU CHẤT - ỨNG DỤNG MƠ PHỎNG Q TRÌNH TẢN NHIỆT KHÍ CỦA CPU GVHD: Nguyễn Trần Phú SVTH: Bùi Hồng Tân 18143149 Nguyễn Minh Chiến 18143069 BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN Hồ Chí Minh, 15 tháng năm 2020 MỤC LỤC Chương 1: Giới thiệu 1.1 Giới thiệu Comsol Multiphysics 2.2 Các vấn đề cần giải tiểu luận .5 Chương 2: Điều kiện biên 2.1 Definitions .6 2.1.1 Coordinate Systems .6 2.2 Geometry 2.3 Materials .7 2.3.1 Air 2.3.2 Iron 2.4 Laminar Flow (spf) 10 2.4.1 Fluid Properties 11 2.4.2 Wall 12 2.4.3 Initial Values .13 2.4.4 Inlet 14 2.4.5 Outlet 15 2.4.6 Symmetry 16 2.5 Heat Transfer in Fluids (ht) 17 2.5.1 Heat Transfer in Fluids 18 2.5.2 Thermal Insulation 19 2.5.3 Initial Values .20 2.5.4 Temperature .21 2.5.5 Boundary Heat Source .22 2.6 Mesh 23 2.7 Study 24 BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN 2.7.1 Stationary 24 2.7.2 Solver Configurations 24 Chương 3: .26 Phân tích 26 3.1 Velocity (spf) .26 3.2 Pressure (spf) 28 3.3 Temperature .29 3.4 ISOTHERMAL CONTROURS 30 Chương 4: .31 STEP .31 Chương 5: .35 Tài liệu tham khảo 35 BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN Chương 1: Giới thiệu Hiện nay, nghiên cứu khoa học thực dựa phương pháp khác nhau, phương pháp mô số phương pháp thực nghiệm thường sử dụng nhiềuMô số công nghệ tạo mơ hình hoạt động gần giống vật, tượng xảy thực tếTrong thời đại khoa học công nghệ ngày nay, công nghệ mô số ngày sử dụng rộng rãi lĩnh vực khoa học kỹ thuật hoạt động ngườiMô số đem đến lợi ích to lớn là: tiết kiệm thời gian, kinh phí, nguyên vật liệu, tránh rủi ro, nguy hiểm điều kiện thực, giảm tác động xấu tới mơi trườngBên cạnh đó, mơ số học cịn giải nhiều vấn đề khoa học mà khơng thể làm điều kiện thực - Trích dẫn lời PGS.TS Đặng Thành TrungComsol Multiphysics phần mềm mô tối ưu 1.1 Giới thiệu Comsol Multiphysics Comsol Multiphysics gì? Comsol Multiphysics phần mềm đa tảng phân tích phần tử hữu hạn, giải xử lý mơ phỏngNó cho phép người dung sử dụng giao diện dựa kiến thức vật lý thông thường hệ liên thơng phương trình vi phân phần (PDE)COMSOL cung cấp IDE (phần mềm cung cấp cho lập trình viên mơi trường tích hợp bao gồm nhiều cơng cụ khác nhau) quy trình làm việc thống cho ứng dụng điện, khí, chất lỏng hóa học Một AIP (API cách để phần mềm (hệ điều hành, ứng dụng, module hệ thống doanh nghiệp v…v…) giao tiếp với tận BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN dụng lực nhau) cho Java LiveLink cho MATLAP sử dụng để kiểm sốt phần mềm bên ngoài, API sử dụng thơng qua Trình chỉnh sửa phương pháp (Method Editor) 2.2 Các vấn đề cần giải tiểu luận Vấn đề nguyên cứu tản nhiệt khí (Stock) xử lý trung tâm - Central Processing Unit (CPU) Khi hoạt động, CPU máy tính sản sinh lượng nhiệt lớnVà thông thường, CPU mạnh đồng nghĩa với nhiệt lượng toả cao (cùng kiến trúc, khác xung nhịp)Nếu lượng nhiệt tăng cao, nhẹ CPU tự động giảm hiệu cịn nặng gây hư hỏngTản nhiệt CPU linh kiện giúp kiểm sốt nhiệt độ CPU, giúp hoạt động ổn định mà khơng gặp tình trạng q nóng Cấu tạo tản nhiệt khí gồm có phần chính: phần chân để cắm vào bo mạch, khối tản nhiệt cuối quạt - Khối tản nhiệt: Khối tản nhiệt tản nhiệt làm kim loại: lõi đồng tản nhiệt nhômPhần đế tiếp xúc với CPU làm đồng dẫn nhiệt nhôm, tăng tối đa diện tích bề mặt tản nhiệtDiện tích bề mặt nhiều nhiệt lượng dễ phân tán ngồi khơng khí hơn, giúp CPU mát BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN - Quạt: Tạo luồng gió làm mát tản nhiệt phân tán nhiệt lượng khơng khí Chương 2: Điều kiện biên 2.1 Definitions 2.1.1 Coordinate Systems Boundary System Coordinate system Boundary type system Identifier sys1 Settings Name Value Coordinate names {t1, t2, n} BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN Name Value Create first tangent direction Global from Cartesian 2.2 Geometry Geometry Units Length unit m Angular unit de g Geometry statistics Property Value Space dimension Number of domains 10 Number boundaries of 296 Number of edges 700 Number of vertices 448 BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN 2.3 Materials 2.3.1 Air Air Selection Geometric level entity Domain Selection Domains 1, 3–7, Material parameters Name Value Unit Dynamic viscosity eta(T[1/K])[Pa*s] Pa*s Ratio of specific heats 1.4 Heat capacity pressure at constant Cp(T[1/K])[J/(kg*K)] J/(kg*K) Density rho(pA[1/Pa],T[1/K]) [kg/m^3] kg/m^3 Thermal conductivity k(T[1/K])[W/(m*K)] W/ (m*K) BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN 2.3.2 Iron Iron Selection Geometric level entity Domain Selection Domains 2, 8, 10 ` Material parameters Name Heat capacity pressure at Value Unit constant 440 [J/ (kg*K)] Density 7870 [kg/m^3] Poisson's ratio 0.29 Young's modulus 200e9 [Pa] BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN 2.4 Laminar Flow (spf) Laminar Flow Selection Geometric level Selection entity Domain Domains 1, 3–7, Equations Settings Description Show assuming Value equation std1/sta t 10 BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN 2.5.5 Boundary Heat Source Boundary Heat Source Selection Geometric entity level Boundary Selection Boundaries 190–195, 203–205, 210, 224–227, 279–280, 284–285, 287–292, 294 Equations Settings Description Boundary source Value heat 2.5 Variables Name Expression Unit Description ht.Qbtot ht.bhs1.Qb Total boundary source W/m^2 22 Selection heat Boundaries 190–195, 203–205, 210, 224– BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN Name Expression Unit Description Selection 227, 279–280, 284– 285, 287–292, 294 ht.bhs1.Qb 2.5 W/m^2 Boundary heat source 2.6 Mesh Mesh Settings 23 Boundaries 190–195, 203–205, 210, 224– 227, 279–280, 284– 285, 287–292, 294 BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN Name Value Name Value Maximum element size 0.0675 Maximum element size 0.0158 Minimum element size 0.0126 Minimum element size 6.75E-4 Resolution of curvature 0.7 Resolution of curvature 1.35 Resolution of narrow regions 0.4 Resolution of narrow regions 0.3 Maximum rate element Maximum element growth rate 0.85 growth 1.6 Predefined size Coarse Domain Mesh Geometry (geom1) mesh Physics selection Physics Discretization Laminar Flow (spf) physics Heat Transfer in Fluids (ht) physics 2.7.2 Solver Configurations Compile Equations: Stationary (st1) Study and step Name Value Use study Use step Extra fine Domain 2-10 2.7 Study 2.7.1 Stationary Mesh selection Geometry Predefined size Study study Stationar y 24 BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN Dependent Variables (v1) General Name Defined step Value by study Stationar y Initial values of variables solved for Name Value Solutio n Zero Values of variables not solved for Name Value Solutio n Zero 25 BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN Chương 3: Phân tích Thông qua số liệu mô kiểm sốt đánh giá q trình tương tác trao đổi nhiệt trình lưu chất thất khí model (CPU) từ kết ta dễ dàng đưa thay đổi cho phù hợp hơn, giúp đánh giá tác động yếu tố ngoại cảnh (thực tế) lên đối tượng khảo sát 3.1 Velocity (spf) Vận tốc dịng chảy đánh giá quan trọng phân tích này, thể trạng thái, biến đổi, hướng dòng chảy chất khí model mơ Dựa vào kết đưa thay đổi kết cấu model tăng lưu lượng đầu vào model, để đưa model tối ưu 26 BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN Với vận tốc đầu vào v0 = 10 m/s tùy theo vị trí cấu trúc Domail (Iron) vận tốc chất khí dao động từ (m/s) > 14.885 (m/s) Tiết diện nhỏ vận tốc qua tiết diện lớn phần vận tốc lớn mô nằm chỗ nhỏ gần với lưu lượng đầu vào (cụ thể khe cánh quạt) 27 BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN Phần màu xanh nơi mà lưu chất khí khơng thể chảy qua được, có nhiều nguyên nhân tượng chủ yếu là:  Lưu lượng vận tốc đầu vào vị trí nằm chỗ khơng thuận lợi cho việc lưu chất  Sự khuếch đại chất khí cánh quạt khơng gian khơng lớn 3.2 Pressure (spf) Áp suất lực đơn vị diện tích tác dụng theo chiều vng góc mặt vật thể Dựa kết phân tích dự đoán áp suất tác dụng lên bề mặt chi tiết, dự đốn mức chịu đựng áp suất chi tiết, độ bền chi tiết Ta thấy áp suất maximum đạt mô 650 Pa tập trung lớn quạt tản nhiệt, nơi nơi có vận tốc lớn với áp xuất ta dự đốn độ bền quạt tản nhiệt 28 BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN Ngồi quạt tản nhiệt áp suất mà Domail khác cần phải chịu nhỏ, nên lo ngại vấn đề áp suất tác dụng lên phần tử quan trọng không đáng ngại Kết thể độ bền tuổi thọ Domail cao hoạt động ổn định thời gian lâu dài 3.3 Temperature Nhiệt độ phần quan trọng q trình tản nhiệt CPU, thể khuếch đại nhiệt độ khơng khí Sự kết hợp nhiệt độ trình lưu chất chất khí tạo kết thực tế nhất, thể hiên nhiệt độ phần tử trình hoạt động nhiệt độ khí đầu Phân tích tải nhiệt chi tiết, tránh ảnh hưởng nhiệt độ đến trình hoạt động độ bền CPU 29 BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN Nhiệt độ cao mô 337 oK tương đương 65 oC nhiệt độ Domail khác dao động ổn định mức thấp Ảnh hưởng từ nhiệt độ đến q trình hoạt động máy khơng đáng kể độ bền chi tiết cao 3.4 ISOTHERMAL CONTROURS Các đường đẳng nhiệt dao động từ 300 k – 336 k 30 BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN Chương 4: STEP MODEL WIZARD Chuyển đến sổ Model wizad 3D Chọn Next Add physics, Fluid Flow>Single-Phase Flow>Laminar Flow (spf) Heat Transfer > Heat transfer in fluids (ht) Chọn Next Trong hộp thoại Studies, chọn Preset Studies > Stationary Chọn Finish GLOBAL DEFINITIONS Parameters Chọn cửa sổ Model Builder, nhấp chuột phải vào Global Definition chọn Parameters Chọn vào cửa sổ cài đặt Parameters, xác định vị trí phần thông số 31 BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN Trong bảng, nhập thông số cần cài đặt Name Expression Description v0 10[m/s] Inlet velocity GEOMETTRY 1 Trong cửa sổ Model Builder, nhấp chuột phải vào Geometry > Insert Chọn Build All Hình dạng mơ hình hồn tất (Hình 1) MATERIALS Material Browser Trong cửa sổ Model Builder, chuột phải vào Materials chọn Open Material Browser Trong cửa sổ Material Browser, xác định vật liệu Chọn Built-In > Ari cho Domail (1, 3-7, 9) Built-In > Iron cho Domail (2, 8, 10) LAMINAR FLOW Chọn Domain (1, 3-7, 9) > Add to Selection Inlet Trong cửa sổ Model Builder, chọn chuột phải vào Laminar flow chọn Inlet Chọn Manual (117 and 209) > add to Selection 32 BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN Trong cửa sổ Inlet settings, chọn Boundary Condition section Trong Boundary Condition section, chọn Velocity Trong Velocity, chọn Velocity Field với giá trị u0 = -v0 (theo phương z) Symmetry Trong cửa sổ Model Builder, chọn chuột phải vào Laminar flow chọn Semmetry Chọn Boundaries (1 - 5, 296) Outlet Trong cửa sổ Model Builder, chọn chuột phải vào Laminar flow chọn outlet Chọn Manual (53,58,63,68) > add to Selection HEAT TRANSFER IN FLIUDS (ht) Chọn vào Heat transfer in fluids > chọn Manual (1, 3-7, 9) > Add to selection Temperature Trong cửa sổ Model Builder, chọn chuột phải vào Heat transfer in fluids chọn Temperature Chọn Manual (117 and 209) > add to Selection Trong hộp thoại Temperature, chọn giá trị T0 = 298 K Bounary Heat source Trong cửa sổ Model Builder, chọn chuột phải vào Heat transfer in fluids chọn Bounary Heat source 33 BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN Chọn Manual cần gia nhiệt add to Selection Trong hộp thoại Bounary Heat source, chọn giá trị Qb = 2.5 w/m2 MESH 1 Trong cửa sổ Model Builder, chọn Mesh Chuột phải vào Mesh chọn Free Tetrahedral Chọn vào Size, Element size chọn Predefined chọn Coares Trong Free Tetrahedral chọn Domain (2-10) > Add to selection Trong Element size chọn Predefined chọn Extra fine STUDY 1 Trong cửa sổ Model Builder, chuột phải vào Study chọn Compute RESULTS Velocity (spf) Trong cửa sổ Model Builder, chuột phải vào Results chọn Velocity (spf) chuột phải Velocity (spf) chọn Surface Chuột phải vào Velocity (spf) chọn Arrow Surface Cửa sổ cài đặt Arrow Surface settings, chọn vào hộp thoại Coloring and Style Arrow length Chọn Logarithmic Chọn màu, chọn màu Yellow Chọn Plot Temperature 34 BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN Trong cửa sổ Model Builder, chuột phải Temperature chọn Surface Cửa sổ cài đặt Surface settings, chọn vào hộp thoại Coloring and Style Coloring > color table Color tabel > Rainbow Chọn Plot 3D Plot Group Trong cửa sổ Model Builder, chuột phải vào Results chọn 3D Plot Group Chuột phải vào 3D Plot Group chọn Streamline Chọn Boundary (117 209) Cửa sổ cài đặt Streamline, chọn vào hộp thoại Coloring and Style Line type > Tube Chuột phải vào Results > 3D Plot Group >Streamline chọn Color Expression 35 BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN Chương 5: Tài liệu tham khảo Comsol: Low around a sphere: https://www.youtube.com/watch?v=iyA5UiBJY0Q Giáo trình COMSOL – Nền tảng ứng dụng mô số - Định Thành Trung Mô CFD Backstep : https://drive.google.com/file/d/1Qe4v725xycm89DhXRg7NcWLorDkdDlY/view? usp=sharing Mô CFD mẫu: https://drive.google.com/file/d/19OV_nDo07Cu_fM3O8LrvqHQScXvW4IP/view? usp=sharing 36 ... kiện thực - Trích dẫn lời PGS.TS Đặng Thành TrungComsol Multiphysics phần mềm mô tối ưu 1.1 Giới thiệu Comsol Multiphysics Comsol Multiphysics gì? Comsol Multiphysics phần mềm đa tảng phân tích... Unit (CPU) Khi hoạt động, CPU máy tính sản sinh lượng nhiệt lớnVà thông thường, CPU mạnh đồng nghĩa với nhiệt lượng toả cao (cùng kiến trúc, khác xung nhịp)Nếu lượng nhiệt tăng cao, nhẹ CPU tự... này, thể trạng thái, biến đổi, hướng dòng chảy chất khí model mơ Dựa vào kết đưa thay đổi kết cấu model tăng lưu lượng đầu vào model, để đưa model tối ưu 26 BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN Với