星期一, 5月 16

    设计异型水路要用3D计算流体力学分析

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    ■ Moldex3D/Jay Vang

    前言

    直到现在,仍有许多人对异型水路抱持怀疑的态度,然 而很大的原因在于没有完整的分析工具。虽然市面上的 软体已提供很多优化工具和模块,是非常好的验证技术; 但其效果仍取决於使用者所输入的东西,这也就是所谓 「垃圾进、垃圾出(Garbage in, garbage out.)」的概念。 若两名不同的分析者在进行模流分析时,输入不同的参数,可能会得到完全不同的结果。对于异型水路分析来说尤其如此,若输入了错误的假设,或遗失重要的参数, 例如须达到所需的流率以确保产生紊流等,就会导致错误的结果。

    模拟与分析

    异型水路可协助将成型周期缩到最短,并达到产品所需的尺寸。然而此结果须在设计者能维持异型水路所需的流率之前提下才可达成。对于复杂的设计,若只进行散 热模拟(仅将水路系统定义为散热源),是无法窥探模内行为的全貌的。图1可观察到一计算流体力学(CFD) 分析结果,呈现流率约2.0 gpm时的雷诺数。

    由图1可看到,部分区域的雷诺数高于4200,显示有紊 流现象;但其他雷诺数低于4200的区域,则不一定会 产生紊流。这种情况会造成整个冷却水路的冷却效率不 一。流速与雷诺数有直接相关,因此设计者若能找出低 流动或无流动的区域,就可借此优化水路设计。模拟也可呈现流速结果找出低/无流动的潜在迟滞区域。须 记得流体都会顺着阻力最小的路径流动,因此冷却液会直接从进水口流往出水口,而不会循随机路径或往 周围孔洞四处流动。设计者可利用这些资讯来优化水 路设计,并把低流动和无流动区域尽可能缩小(如图 1孔洞间的深蓝色区域)。例如可以尝试扩大间距迫使水流通过雷诺数较低的低/无流动区域,尽管冷却 液还是会从阻力最小的路径流动。如此降低孔洞的影 响之后,可以缩减低流动和无流动区域,在一定流率 下最大化紊流现象。

    图 1: 计算流体力学 (CFD) 分析结果, 呈现流率约 2.0 gpm 时的雷诺数

    现在的问题是:「这样的分析和散射分析差异有多大?」其实从冷却计算的立场来说并不大,且要视输 入的流率而定。然而散热分析和CFD分析的结果将决 定改变的效率和幅度。为了贴合产品几何(如图2、 图3),异型水路包含很多尺寸小、长度长的管线。 尺寸小或厚度薄、且长度长的冷却水路设计,需要较大的压力,管线内才能达到足够的流率。所以若要了 解异型水路,只进行一般的散热分析是不足的。

    图 2:同一个模型的冷却液压力结果,流率也一样是 2.0 gpm

    图 3:利用线架构和 3D 网格的压降结果仿真比较图,显示推动流率所需要压力头,冷却液才能通过整个管线

    压力需求

    若雷诺数和流速是取决於流率,那么一个实际的问题 是:找出要达到特定流率所需的压力,才会知道是否能达到所需的流率。图2显示模型的冷却液压力结 果,流率也一样是2.0 gpm。流体会往阻力最小的 路径流动,为了产生紊流以确保对产品有良好的热传 导,设计者必须了解其设计所需的压力和最小流率。 图一即显示流体在大部分区域的雷诺数介于4,000和 10,000+之间,就有可能产生紊流(Re # > 4200)。然 而要达到这个数字,就需要较高的压力,来让流率2.0 gpm的冷却液流过整个管线。

    目前市面上的调温器可以产生约100 PSI的压力,但 要达到65 PSI可能也不大容易,原因是流体会流向管 线中阻力较小的区域,例如热流板、模仁和模穴板等。 若流率降至低于2.0 gpm,雷诺数也会降低仅能造成 层流通过线路,对于冷却的效益是非常低的。此外, 设计者若仅仅提高流至热流板的流率,并不会使管线 内的流体产生线性分布。

    如果设计者没有将异型水路和所使用的调温器作链接,又或是并没有使用限流器来将水推动至特定管线 中,则模拟结果就会与实际情形有差距。若设计者无 法达到维持整个异型水路中紊流的所需流率,还不如 改用传统式钻孔水路,以达到同等或较佳的结果。

    关于网格

    透过精确的CFD分析,设计者可获得準确且可靠的异型水路模拟结果;然而并非所有的CFD都能达到一样 的效果。接下来要解说的是模流分析软体中,针对水 路分析的两种主要网格方法:线架构和3D架构。线 架构可呈现雷诺数、整个模具温度的升降,以及流动 分布,但在预测压降时,準确度就不如3D架构。此 外线架构对于捕捉真实的几何也有困难,仅能利用相对体积来建模。不过线架构也有优点,即模拟速度比 3D网格还要快。

    图3为比较线架构和3D网格模拟的压降结果,显示 推动通过整个水路的指定流率所需的头压。虽然每条 线路的压力需求比相似,线架构中显示在复杂线路所 需的压力少了25%至50%,而复杂的水路设计是提高压力的潜在因素。若单只有压降结果,会使得调温器需求错误,进而设计出不佳的异型水路,导致流体 在流经水路时会受到限制而流量不足。

    图 4:MGS Mfg. Group 以实验验证压力现象:(1) DMLS 异型水路嵌件,(2) 3D 打印的喷泉式水路,(3-4) 不同长度和尺寸的透明管及连结水帮浦和水缸的压力表、流量计

    图 5:CFD 分析结果及 3D BLM 模型。透过 3D BLM 模型,设计者在进行仿真时,设定以直线接到进 / 出水口,而非弯曲管线,原因是仿真软件须将流体来源的进出水口与模面垂直

    验证步骤

    为了证明3D网格能比线架构捕捉到更精确的压降预 测结果,来自 MGS Mfg. Group 的 Kevin Klotz 进行 了压力预测的实验验证(如图4)。Klotz使用DMSL 异型水路嵌件、3D列印的喷泉式水路、不同长度和 尺寸的透明管及链接水帮浦和水缸的压力表和流量 计来进行实验。此仪器是由CREO建模,其结果将 被记录下来与模拟结果比较。同样的模型也提供给 Hoerbiger Corporation of America 的Jeet Sengupta 博士,以利透过 ANSYS CFX 来进行 CFD 分析,以 及用 Moldex3D 的 3D 边界层网格 (BLM) 来做分析。 两种软体工具都以每条管线记录的流率值,结合6.5 gpm的流率值输入帮浦,来记录进水口、出水口和压 力表位置的压力。图5显示CFD分析和3D BLM建 构模型的结果。透过3D BLM模型,设计者在进行模 拟时,设定以直线接到进水口与出水口,而非弯曲管线,原因是模拟软体中须将流体的进出水口与模面垂直。

    表 1:压力的实际测量值与模拟结果比较

    两种软体的压力分析结果,都与实体仪器所记录的量 值非常相近。表1为CFD分析和实际测量结果比较。 其中CFD分析和BLM网格分析,与实际结果之间的 最大差异分別约为5.0 psi和2.5 psi。若考量压力表 读数和流量计所测量的流率的限度,两种结果都在可 接受的準确度范围内。

    我们学到了什么? 倘若设计得当,异型水路的确能够发挥预期的效益, 为达到此目标,我们需要全面的CFD模拟来协助观察 流动特性,举例来说,3D列印的嵌件若分支为两个以上的管线,决定适合的分支,对于异型水路设计的 效益将会有很大的影响。

    若设计者只进行散热模拟,将无法準确预测异型水路 等复杂水路设计中所需的压力,以达到能产生紊流的 流率。然而透过3D网格架构,设计者就能精确捕捉 到流体的流动特性,如动量变化等,以获得精确的压 力分析。■

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