Case - naturlig konvektion

Problemer vedrørende termisk transport forårsaget af konvektion er relaterede til temperaturdrevne flows. Disse flows opstår på grund af forholdet mellem temperaturen og densiteten af fluiden. I mange fluider, såsom luft, aftager densiteten, når temperaturen stiger, og vice versa. Lokale temperaturforskelle ændrer den lokale densitet af flowet og genererer et opdriftsdrevet flow. Dette opdriftsdrevne flow forårsager den strømning, der betegnes som naturlig konvektion. I denne artikel vil vi ved at simulere naturlig konvektion undersøge, hvordan dette kan modelleres og anvendes i produktudvikling.

Fluid- og termisk transport på grund af naturlig konvektion er kritisk at tage højde for i mange naturlige fænomener og ingeniøranvendelser. Naturlig konvektion er for eksempel en styrende faktor i alle vejrsystemer, såsom dannelse af vind eller tropiske cykloner. I ingeniør- og industrielle anvendelser anvendes simulering af naturlig konvektion eksempelvis til at optimere køling af enheder uden brug af elektrisk drevne køleblæsere.

Formål - Simulering af naturlig konvektion

Dette casestudie tager udgangspunkt i en lysudsendende diode (LED) og er inspireret af arbejdet i [1]. LED'er konverterer elektrisk energi til lys med en effektivitet på omkring 25-35% [2], hvor den resterende del af energien bliver konverteret til termisk energi. Den termiske energi genereres i et relativt lille volumen i LED-lampen, hvilket resulterer i store lokale temperaturer. Temperaturkontrol af LED-lamper er kritisk at tage højde for, da høje temperaturer kan forårsage et skift i emissionsbølgelængden, nedsætte lumenoutputtet og reducere lampens driftstid.

I dette eksempel demonstrerer vi, hvordan CFD og ingeniørintuition kan anvendes til at designe og simulere en passiv køler, som kan køle en LED ved at udnytte den naturlige konvektionseffekt. Et billede af LED'en og det passive kølerdesign kan ses nedenfor:

Simuleringsopsætning

For at modellere varmetransport som følge af naturlig konvektion er det nødvendigt at løse Navier-Stokes- og energiligningerne i fluiden og konduktiv varmetransport i soliden. Termisk transport med naturlig konvektion er et stærkt tovejskoblet problem, da temperaturfeltet påvirker hastighedsfeltet, og omvendt. Naturlig konvektion er beregningsmæssigt udfordrende at løse på grund af de mange fysiske felter (tryk, hastighed og temperatur) og den ikke-lineære og koblede fysik.

Strømningen er antaget at være turbulent, kompressibel og tidsafhængig, hvor kompressibiliteten af fluiden er modelleret med idealgasligningen. Vi antager, at varmetransporten i solidet er styret af varmekonduktionsligningen. For at reducere de beregningsmæssige udfordringer udnytter vi symmetrien af problemet og reducerer dermed modellen til ¼ af det fulde domæne. Overfladen af LED-lampen er 400 K, og temperaturen af den omkringliggende luft er 300 K. Beregningsdomænet og randbetingelserne er vist til venstre.

Resultater

Idet den termiske energi fordeles i den passive køler, opvarmes den omkringliggende luft, og flowet bliver accelereret på grund af forskellen mellem densiteten af det kolde og den varme luft. Det passive køler fungerer ligesom en skorsten, hvor luften er accelereret inden i køleren og forlader den i toppen. De statiske versioner af flowfelterne, temperaturfeltet og varmestrømmen gennem overfladen af det passive køler er plottet på nedenstående figurer:

Det passive kølerdesign er inspireret af det topologi optimerede design i [1]. Selvom designet er simpelt, bemærker vi, at skorstensdesignet effektivt fjerner termisk energi fra LED’en.

Casestudiet demonstrerer et industrielt eksempel på et problem, hvor naturlig konvektion er kritisk at modellere. Hvis din virksomhed er udfordret af problemstillinger, hvor naturlig konvektion er vigtigt at modellere, så kan Aerotak tilbyde ekspertviden og knowhow til at løse problemerne og kommunikere resultaterne.

Appendiks

Beregningsnettet udgøres af cirka 3.000.000 elementer. Overfladen af beregningsnettet for den passive køler og et tværsnit af beregningsdomænet er vist nedenunder:

For mere information kontakt:

Referencer

[1] Lazarov, B. S., Sigmund, O., Meyer, K. E., & Alexandersen, J. (2018). Experimental validation of additively manufactured optimized shapes for passive cooling. Applied Energy, 226(February), 330–339. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.05.106

[2] Cheng H-C, Lin J-Y, Chen W-H. On the thermal characterization of an rgb led-based white light module. Appl Therm Eng 2012;38:105–16. http://dx.doi.org/10.1016/j. applthermaleng.2012.01.014.