Ćwiczenie 13 Symulacja odprowadzania ciepła z układu półprzewodnikowego

Transkrypt

1 Ćwiczenie 13 Symulacja odprowadzania ciepła z układu półprzewodnikowego Ćwiczenie obejmuje pełny proces symulacji odprowadzania ciepła z układu półprzewodnikowego poprzez zastosowanie wymuszonego chłodzenia cieczowego, w pakiecie programów CFD-ACE+. Ćwiczenie ma na celu otrzymanie rozkładów temperatury w symulowanym układzie półprzewodnikowym dla dwóch przypadków: przepływ laminarny (U wlot = m/s) oraz przepływ turbulentny (U wlot = 1 m/s). Ciecz chłodząca (woda) jest pompowana do płaskiego kanału o wysokości 0,3mm (Rys.1). Temperatura wlotowa wody wynosi 40 o C. Cała struktura jest grzana od strony warstwy krzemowej. Temperatura na górnym brzegu tej warstwy wynosi 15 o C. Pozostałe warunki brzegowe i wymiary zostały podane w tabeli 1. Własności materiałowe znajdują się w tabeli. Rys.1. Geometria symulowanej struktury krzemowej (nie zachowano skali). Tabela 1. Wymiary i warunki brzegowe. Krzem Miedź (górna warstwa) Ceramika AlN Miedź (dolna warstwa) Kanał Temp. na górnym brzegu warstwy Si Temp. wlotowa wody Ciśnienie wlotowe Prędkość wlotowa wody 0,14mm x 1mm 0,30mm x 1mm 0,63mm x 1mm 0,30mm x 1mm 0,30mm x 1mm 15 o C 40 o C 0 Pa m/s, 1m/s 1

2 Tabela. Właściwości materiałowe. gęstość Rho [kg/m 3 ] przewodność cieplna K[W/mK] ciepło właściwe c p [J/kgK] Krzem Ceramika AlN Miedź Woda 99 0, Lepkość kinematyczna wody Nu [m /s] Lepkość dynamiczna wody Nu [m /s] Założenia: - równomierny rozkład prędkości na wlocie (brak składowych w kierunku normalnym do kierunku przepływu cieczy) - brak poślizgu (zerowa wartość prędkości na ściankach kanału) - brak zmiany własności cieczy wraz z temperaturą Część pierwsza CFD-GEOM 1. Stwórz punkty A: (0 0 0) oraz F: ( ).. Utwórz linię łączącą utworzone punkty: Panel Kontrolny: zakładka Geometry: Line Creation Line. - wybierz pierwszy punkt linii - wybierz drugi punkt linii - wciśnij trzeci przycisk myszy - wciśnij Q 3. Utwórz następujące punkty: B: (0 30 0) D: (0 13 0) C: (0 60 0) E: ( ) - wciśnij Q 4. Podziel linię AF w punktach A, B, C i D: Panel Kontrolny: zakładka Geometry: Split/Join Split curve at Point. (p. rys. obok) wybierz lewym przyciskiem myszy utworzoną linię AF wybierz punkt B wciśnij trzeci przycisk myszy Linia AF została podzielona na dwie części: AB i BF. w taki sam sposób podziel linię BF w pozostałych punktach: C, D i E wciśnij Q

3 5. Utwórz krawędzie na utworzonych liniach AB, BC, CD, DE, EF: zakładka Grid: Structured Edge Options Create (Edit) structured edge. w segmencie Parameters w polu grid points wpisz 10 za pomocą myszki wybierz linię AB kliknij trzeci przycisk myszy w taki sam sposób utwórz krawędzie na pozostałych liniach, wg tabeli poniżej: linia liczba punktów siatki AB 10 BC 8 CD 10 DE 8 EF 4 AA Utwórz powierzchnie czołowe poprzez wyciągnięcie: zakładka Grid: Structured Face Options Create Structured Face w Panelu Kontrolnym zaznacz opcję Extrusion za pomocą myszy wybierz wszystkie krawędzie na linii AF wciśnij trzeci przycisk myszy lewym przyciskiem myszy kliknij krawędź na linii AA kliknij trzeci przycisk myszy lub Apply w Panelu Kontrolnym wciśnij Q 7. Utwórz bloki D na podstawie utworzonych powierzchni czołowych: zakładka: Grid: Structured Block Options Create Structured D Block za pomocą myszy wybierz dowolną z pięciu utworzonych powierzchni czołową kliknij trzeci przycisk myszy analogicznie wybierz kolejną powierzchnię czołową i kliknij trzeci przycisk myszy w ten sposób utwórz bloki D na wszystkich powierzchniach czołowych 8. Zadawanie warunków brzegowych i objętościowych: kliknij na Pasku Widoku (wąski niebieski pasek na uaktywnij zakładkę BC/VC Editor zaznacz opcję D kliknij dwukrotnie dole ekranu) napis Model w segmencie D/3D rozwinie się drzewo z opcjami Boundary i Volume zaznacz opcję Boundary kliknij w Obszarze Graficznym krawędź, która jest wlotem kanału chłodzącego (konieczne może być powiększenie rysunku w celu ułatwienia wyboru) 3

4 z rozwijalnego menu Type po prawej stronie Paska Widoku wybierz parametr Inlet w polu Name wpisz nazwę (np. wlot) kliknij w Obszarze Graficznym krawędź, która jest wylotem kanału chłodzącego z rozwijalnego menu Type wybierz parametr Outlet w polu Name wpisz nazwę (np. wylot) kliknij w Obszarze Graficznym górną krawędź warstwy krzemowej w rozwijalnym menu Type pozostaw parametr Default w polu Name wpisz nazwę górna krawędź warstwy Si zaznacz opcję Volume w rozwijalnym drzewie po lewej stronie w Obszarze Graficznym kliknij powierzchnię czołową warstwy krzemowej w rozwijalnym menu Type wybierz parametr Solid w polu Material wpisz Si w polu Name wpisz krzem w Obszarze Graficznym kliknij pierwszą, a następnie drugą powierzchnię czołową warstwy miedzi w rozwijalnym menu Type wybierz parametr Solid w polu Material wpisz Cu w polu Name wpisz miedź w Obszarze Graficznym kliknij powierzchnię czołową warstwy ceramiki w rozwijalnym menu Type wybierz parametr Solid w polu Material wpisz AlN w polu Name wpisz ceramika w Obszarze Graficznym kliknij powierzchnię czołową kanału chłodzącego w rozwijalnym menu Type wybierz parametr Fluid w polu Material wpisz HO w polu Name wpisz woda 9. Zachowaj plik w dwóch wersjach: *.ggd oraz *.dtf. 4

5 Część druga CFD-GUI i CFD-ACE Przypadek pierwszy przepływ laminarny Należy ustalić jakiego rodzaju przepływ jest spodziewany. W tym celu należy posłużyć się liczbą Reynoldsa: ρvdh Re = µ gdzie: ρ gęstość [kg/m 3 ] V prędkość cieczy [m/s] D h średnica hydrauliczna (zastępcza) [m] µ - lepkość dynamiczna cieczy [Ns/m ] ρ = 99 [kg/m 3 ] V = [m/s] D h = 0,0006 [m] µ = 0, [Ns/m ] Uwaga! Średnica zastępcza równa jest podwójnej wysokości kanału. Przepływ laminarny ma miejsce, gdy liczba Reynoldsa jest mniejsza niż 300. Natomiast przepływ w pełni turbulentny występuje, gdy liczba Reynoldsa jest większa niż Właściwości wody podane są dla temperatury 40 o C. Liczba Reynoldsa, dla tego przypadku, wynosi: kg m 99 0,0006m ρvdh Re = = m s 1831 µ 3 Ns 0,65 10 m A zatem jest to przepływ laminarny (Re < 300). 1. Po uruchomieniu modułu CFD-ACE, wczytaj plik zapisany w module CFD- GEOM z rozszerzeniem *.dtf.. Określ współczynnik skalowania (w celu przetransponowania modelu w skalę µm): w Obszarze Graficznym kliknij prawym przyciskiem myszy, wybierz opcję Simulation Properties wybierz zakładkę Scaling w polu Grid Scaling wpisz 1e-4 Model zaworu powinien zniknąć z ekranu. Należy wcisnąć kombinację klawiszy Ctrl i G. 3. Zakładka PT (Problem Type) zaznacz moduły Flow oraz Heat Transfer (Heat) na zakładce Global nie należy nic zmieniać są to wartości domyślne 4. Zakładka MO (Model Options) 5

6 w zakładce Shared polu Title wpisz tytuł symulacji (np. efektywność chłodzenia) pozostaw wszystkie ustawienia bez zmian są to wartości domyślne 5. Zakładka VC (Volume Conditions) z listy zdefiniowanych w module CFD-GEOM objętości (na dole ekranu) wybierz lewym przyciskiem myszy element woda w segmencie VC Setting Mode ustaw: Properties: Fluid i Fluid Subtype: Liquid w segmencie Material: - Property Sources: User Input - Liquid Material Name: woda na zakładce Phys: - Density ustaw Evaluation Method: Constant - Rho: 99 kg/m 3 na zakładce Fluid: - Viscosity ustaw Evaluation Method: Constant (Kinematic) - Nu: 0.65e-6 m /s na zakładce Therm: - Specific Heat ustaw Evaluation Method: Constant - Cp: 4199 J/kgK - Thermal Conductivity ustaw Evaluation Method: Constant - K: W/mK kliknij Apply w dolnej części Panelu Kontrolnego, a następnie OK z list y zdefiniowanych w module CFD-GEOM objętości (na dole ekranu) wybierz lewym przyciskiem myszy (z przytrzymanym klawiszem Ctrl) oba elementy o nazwie miedź zgrupuj je (przycisk Group na dole) w segmencie VC Setting Mode ustaw: Properties: Solid w segmencie Material: - Property Sources: User Input - Solid Material Name: miedź na zakładce Phys: - Density: Evaluation Method: Constant - Rho: 8960 kg/m 3 na Zakładce Therm: - Specific Heat: Evaluation Method: Constant - Cp: 385 J/kgK - Thermal Conductivity: Evaluation Method: Constant - K: 386 W/mK kliknij Apply w dolnej części Panelu Kontrolnego z list y zdefiniowanych w module CFD-GEOM objętości (na dole ekranu) wybierz lewym przyciskiem myszy element ceramika w segmencie Setting Mode ustaw: Propertie: Solid w segmencie Material: - Property Sources: User Input - Solid Materioal Name: AlN na zakładce Phys: 6

7 - Density: Evaluation Method: Constant - Rho: 360 kg/m 3 Na zakładce Therm: - Specific Heat: Evaluation Method: Constant - Cp: 669 J/kgK - Thermal Conductivity: Evaluation Method: Constant - K: 17 W/mK kliknij Apply w dolnej części Panelu Kontrolnego z list y zdefiniowanych w module CFD-GEOM objętości (na dole ekranu) wybierz lewym przyciskiem myszy element krzem w segmencie VC Setting Mode ustaw: Properties: Solid w segmencie Material: - Property Sources: User Input - Solid Material Name: Si na zakładce Phys: - Density: Evaluation Method: Constant - Rho: 330 kg/m 3 Na zakładce Therm: - Specific Heat: Evaluation Method: Constant - Cp: 710 J/kgK - Thermal Conductivity: Evaluation Method: Constant - K: 150 W/mK, w dolnej części Panelu Kontrolnego 6. Zakładka BC (Boundary Conditions) z listy zdefiniowanych w module CFD-GEOM warunków brzegowych wybierz lewym przyciskiem myszy element inlet (wlot) w Panelu Kontrolnym na zakładce Flow upewnij się, że Sub Type ustawiony jest na parametr Fix Vel. (Cartesian) w polu X-Direction Velocity ustaw Constant i w polu U wpisz m/s w polu Temperature ustaw Constant i wpisz wartość 313 K w pozostałych polach zostaw wartości domyślne naciśnij Apply z listy zdefiniowanych w module CFD-GEOM warunków brzegowych wybierz lewym przyciskiem myszy element outlet (wylot) we wszystkich polach zostaw wartości domyślne naciśnij Apply z listy zdefiniowanych w module CFD-GEOM warunków brzegowych wybierz lewym przyciskiem myszy element górna krawędź warstwy Si w Panelu Kontrolnym na zakładce Flow pozostaw wszystkie wartości domyślne na zakładce Heat ustaw parametr wyboru Sub Type w pozycję Isothermal w segmencie Temperature ustaw Constant i w polu T wpisz wartość 398 K naciśnij Apply, a następnie OK 7

8 7. Zakładka IC (Initial Conditions) pozostaw wszystkie parametry w ich domyślnych ustawieniach 8. Zakładka SC (Solver Control) na zakładce Iter wpisz liczbę iteracji 50 wszystkie pozostałe parametry na tej i pozostałych zakładkach zostaw w ich wartościach domyślnych 9. Zakładka Out (Output) - na zakładce Print e segmencie Heat Transfer zaznacz opcję Heat Flux Summary - na zakładce Graphic zaznacz następujące elementy (pozostałe odznacz): Static Temperature Static Pressure Total Temperature Total Pressure Velocity Vector Stream Function wszystkie pozostałe parametry na pozostałych zakładkach zostaw w ich wartościach domyślnych 10. Zakładka Run naciśnij przycisk Submit to Solver w oknie, które się pojawi, naciśnij Go for it!(or Submit Job Under Current Name) Przypadek drugi przepływ turbulentny Liczba Reynoldsa, dla tego przypadku, wynosi: kg m ,0006m ρvdh Re = = m s µ 3 Ns 0,65 10 m A zatem jest to przepływ turbulentny (Re > 10000). W związku z tym należy uruchomić dodatkowo moduł odpowiadający za turbulencje. Poniżej przedstawiono tylko zmiany dotyczące właśnie tego modułu. Zatem w module CFD-GUI na zakładce PT (Problem Type) należy zaznaczyć następujące moduły obliczeniowe: Flow, Heat Transfer oraz Turbulence. Wszystkie dane dotyczące modułów Flow i Heat Transfer pozostają takie same, jak w pierwszym przypadku, dotyczącym przepływu laminarnego. 1. Zakładka PT (Problem Type) zaznacz moduły Flow, Heat Transfer (Heat) oraz Turbulence (Turb). Zakładka MO (Model Options) na zakładce Turb pozostaw ustawienia domyślne 3. Zakładka BC (Boundary Conditions) z listy zdefiniowanych w module CFD-GEOM warunków brzegowych wybierz lewym przyciskiem myszy element wlot 8

9 na zakładce Flow zmień wartość prędkości U na 1 m/s na zakładce Turb ustaw: K = 0,0864 m /s oraz D = 34,77 J/kg. s Wartości tych parametrów zostały obliczone w sposób przedstawiony poniżej [9] [10]. Aby obliczyć wartości turbulencji, należy sprecyzować intensywność turbulencji. Dla tego rodzaju przepływów intensywność turbulencji leży w zakresie 1-5%. W tym przypadku zostało założone, że jest ona równa %. Energia kinetyczna turbulencji przepływu niezakłóconego (K) może być policzona jako: 1 K = ( u' + v' + w' ) gdzie: u, v, w wahania turbulencyjne prędkości U, V, W, czyli prędkości w kierunkach X, Y i Z; są one równe intensywności turbulencji (tu %) pomnożonej przez prędkości w kierunkach X, Y i Z dla niezakłóconego przepływu. Zatem energia kinetyczna turbulencji wynosi: 3 ( 0,0(1) ) K = K = 0,0864 [ m / s Współczynnik rozproszenia D jest równy: 0,75 1, 5 C K D = µ κ L gdzie: C µ = 0, 09 - stała κ = 0,4 - stała L = 0,0003 m- wysokość kanału Podstawiając: 0,75 ( 0,09) ( 0,0864) D = 0,4 0,0003 D = 34,77 [ J / kg s] ] 1,5 z listy zdefiniowanych w module CFD-GEOM warunków brzegowych wybierz lewym przyciskiem myszy element wylot na zakładce Turb ustaw: K = 0,0864 m /s oraz D = 34,77 J/kg. s 4. Zakładka IC (Initial Conditions) na zakładce Turb ustaw K=0,0864 m /s oraz D=34,77 J/kg. s Pozostałe ustawienia powinny być takie same, jak w przypadku pierwszym, dotyczącym przepływu laminarnego. Sposób postępowania dotyczący następnego modułu (CFD-View), opisany poniżej, jest identyczny dla obu przypadków przepływu: laminarnego i turbulentnego. 9

10 Część trzecia CFD-View Na podstawie wykonanych obliczeń sporządzić dwa wykresy: zależność temperatury od grubości modelowanej struktury (wielowarstwowej) dla wlotu (X = 0) i wylotu (X = 1 mm) wody. 1. Uruchomić CFD-View przez kliknięcie w górnym pasku narzędzi CFD- GUI/ACE ikonę z oczkiem. Powinien pojawić się na ekranie rysunek modelowanej struktury.. Zgrupuj obiekty wyświetlone w panelu kontrolnym przez kliknięcie ikony select all i potem grupuj. Pojawia się nowy obiekt Surface Group. 3. Przy zaznaczonym Surface Gr. na głównym pasku narzędzi wybierz w Color opcję T. Następnie na pasku wybierz opcję kolorowania: ikonę Smooth Surface on. Modelowana struktura staje się kolorowa, a kolory odzwierciedlają rozkład temperatury. 4. Kliknij ikonę legendy temperatury. Powinna pojawić się na obszarze graficznym. 5. Zaznacz Surface Gr. i kliknij ikonę przekroju w osi X. Na polu z obiektami pojawia się X-Slice. Na ekranie widać linię wyznaczającą punkty pomiarowe dla wykresu. Ustaw potencjometrem linię w X = 0 (wlot). 6. Kliknij ikonę przekroju w osi Y. Na polu z obiektami pojawia się Y-Slice. Ustaw linię w położeniu Y = Zaznacz X-Slice, kliknij ikonę Plot. W nowym polu panelu kontrolnego ustaw: dla Plot X-Axis: Y, dla Plot Y-Axis: T. Na ekranie powinien pojawić się wykres temperatury w funkcji grubości struktury Y dla X = Zaznacz X-Slice. Ustaw potencjometrem (prawie X = 1 mm). Na ekranie pojawia się wykres temperatury w funkcji grubości struktury dla X = Wyniki można zapisać przez kopiowanie ich do innych programów dla dalszej obróbki danych. W panelu Plot otworzyć Edit potem Copy data lub Copy image. Przekrój w osi X Sposób kolorowania Wybór wielkości fizycznej do kolorowania Legenda Obiekty Wybierz wszystkie obiekty Grupuj 10