Phân tích nhiệt trong Phần mềm SOLIDWORKS Simulation và Flow Simulation - FEA vs. CFD (P2)

Trong trường hợp thứ hai, chúng ta sẽ phân tích quá trình truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt và đối lưu. Quá trình này sẽ bị phụ thuộc vào thời gian, tức là nó sẽ ở trạng thái không ổn định. Mục đích của việc phân tích sẽ là một hệ thống bao gồm một bộ vi xử lý gốm, một tản nhiệt bằng đồng và ba đầu nối bằng đồng. Nguồn nhiệt là từ bộ vi xử lý, sinh ra nhiệt năng 25 W. Nhiệt sinh ra được truyền đến tản nhiệt và thải ra môi trường (27 oC) bằng đối lưu. Do hai vật liệu là khác nhau (gốm và đồng) nên ta phải tính đến hai hệ số đối lưu khác nhau. Các dây dẫn đồng đều được cách điện. Ngoài ra, ta giả sử rằng bộ vi xử lý được kết nối với bộ tản nhiệt bằng một lớp keo tản nhiệt 25 μm, tạo ra khả năng chịu nhiệt cục bộ. Dữ liệu được sử dụng trong mô phỏng được tóm tắt trong bảng dưới đây:

Hình dạng của bộ vi xử lý được thể hiện trong hình bên dưới. Bộ vi xử lý, cũng là nguồn nhiệt, được thể hiện bằng màu xanh lam. Đỉnh của mối nối bằng đồng được sử dụng làm đầu dò cục bộ để thể hiện sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian, được đánh dấu bằng màu xanh lục. Các tính toán được thực hiện trong khoảng từ 0 đến 300 giây, với mỗi bước thời gian là 10 giây.

Hình 8. Mô hình CAD của cụm bộ vi xử lý được đánh dấu với nguồn nhiệt (màu xanh lam) và đầu dò nhiệt độ (vòng tròn màu xanh lục) 

Như trong trường hợp dẫn điện, các mắt lưới được sử dụng và thời gian tính toán được đem ra so sánh. Những thông tin này được tóm tắt trong bảng sau:

Trong trường hợp quá trình phát triển kết hợp dẫn truyền với đối lưu, mặc dù lưới trong phương pháp FV bao gồm số ô nhiều gấp hơn 2 lần so với số phần tử trong lưới FEM nhưng thời gian tính toán lại ngắn hơn đáng kể (4 giây) so với phương pháp FEM (58s). Tuy nhiên, điều đáng chú ý là so với trường hợp đầu tiên, ta không chỉ đề cập đến một cơ chế truyền nhiệt mới (đối lưu) mà còn giới thiệu cả các phép tính như một hàm biến thiên theo thời gian. Để kiểm tra xem yếu tố nào trong số những yếu tố này gây ra sự khác biệt lớn về lượng thời gian tính toán khi sử dụng phương pháp FEM và FVM như vậy, các phép tính cố định đã được triển khai thực hiện. Trong trường hợp này, thời gian tính toán của cả 2 đều tương tự như nhau – lần lượt là 2 giây đối với FEM và 3 giây đối với FVM. Điều này có nghĩa là việc sử dụng phương pháp FVM sẽ hiệu quả hơn trong việc phân tích các vấn đề ngắn hạn.

Kết quả phân tích dạng phân bố nhiệt độ ở bước thời gian cuối cùng (300 giây) được thể hiện trong (Hình 9). Khi đem các kết quả ra so sánh ta có thể thấy được rằng về cơ bản thì chúng giống hệt nhau. Ta cũng có thể thấy được rằng lưới được sử dụng trong phương pháp FEM thô hơn nhiều so với lưới được sử dụng trong phương pháp FVM.

Để có thể so sánh được chính xác hơn hai phương pháp tính toán này, một biểu đồ về sự thay đổi nhiệt độ ở đầu mối nối đồng (Hình 8 - vòng tròn màu xanh lục) đã được vẽ dưới dạng một hàm của thời gian. Sự thay đổi nhiệt độ trong cả hai phương pháp được thể hiện trong biểu đồ bên dưới.

Hình 10. Sự thay đổi nhiệt độ tại mối nối đồng theo thời gian.

Sự khác biệt về nhiệt độ có thể được quan sát thấy trong giai đoạn đầu của quá trình mô phỏng, dưới 100 giây. Trong trường hợp sử dụng phương pháp FEM, nhiệt độ được xác định cao hơn một chút so với trường hợp sử dụng phương pháp FVM, tuy nhiên sự khác biệt này sẽ biến mất sau khoảng thời gian dài hơn. Nguyên nhân gây ra điều này không phải là do có sự khác biệt trong phương pháp tính toán mà rất có thể lý do của sự khác biệt này đến từ việc sử dụng lưới không phù hợp trong phương pháp FEM như đã được mô tả trong Hình 9. Để xác minh điều này, một cách chia lưới khác tối ưu hơn nên được sử dụng để thực hiện các phép tính.

Trong trường hợp cuối cùng, chúng ta sẽ xem xét đến một quá trình truyền nhiệt kết hợp cả ba cơ chế: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Tôi sẽ sử dụng ví dụ về một hệ thống đèn phản xạ bao gồm một tấm nhôm phản chiếu, một cái bóng đèn và một cái nắp bằng thủy tinh. Nguồn nhiệt trong trường hợp này là bóng đèn 50W. Quá trình truyền nhiệt diễn ra nhờ vào tính dẫn nhiệt của vỏ nhôm và nắp thủy tinh. Do không có gì bên trong hệ thống (môi trường chân không), một trong những cơ chế truyền nhiệt chính ở đây là bức xạ từ bề mặt bóng đèn phát đến các thành của gương nhôm phản xạ và nắp thủy tinh. Và cơ chế cuối cùng, đối lưu, xác định lượng nhiệt truyền ra bên ngoài hệ thống, bắt đầu từ bề mặt của gương phản xạ nhôm và nắp thủy tinh. Sơ đồ của hệ thống phân tích được trình bày trong hình sau:

Chính vì sử dụng các vật liệu khác nhau nên ta cần phải tính đến không chỉ các hằng số khác nhau của vật liệu mà còn cả các hệ số phát xạ (bức xạ) và hệ số truyền nhiệt (đối lưu) khác nhau. Các số liệu được sử dụng được tóm tắt trong bảng dưới đây:

Các kết quả tính toán được hiển thị trong Hình 12. Để hiển thị kết quả bên trong hệ thống, nắp thủy tinh trong sơ đồ đã được lược ẩn đi. Trong cả hai trường hợp, nhiệt độ tối đa được xác định đều rất cao, tương ứng là 1002 o C (FEM) và 978 o C (FVM). Các giá trị tối đa có thể được tìm thấy trong phần thể tích của bóng đèn, trong khi ở phần còn lại của hệ thống, các giá trị nhiệt độ không vượt quá 300 oC. Đây là hệ quả của việc đơn giản hóa hệ thống quá nhiều. Cả bóng đèn không nên được tính đến như một nguồn nhiệt với toàn bộ thể tích - chỉ một phần nhỏ của nó (dây tóc) mới là nguồn nhiệt và ngoài ra, chúng ta nên xem xét tới bức xạ từ dây tóc phát đến thành bên ngoài của bóng đèn. Tuy nhiên, để tăng tốc độ của quá trình phân tích, người ta đã giả sử rằng toàn bộ phần thể tích của bóng dèn chính là nguồn nhiệt. So sánh các kết quả thu được từ cả hai phương pháp, ta có thể quan sát được sự khác biệt về phân bố nhiệt độ bên trong bóng đèn. Tuy nhiên, do có sự đơn giản hóa quá mức và những khác biệt trong hình lưới đã được đề cập tới trước đây nên ta sẽ không đi quá sâu vào phần này của quá trình mô phỏng.

Để minh họa được sự phân bố nhiệt độ trong hệ thống rõ hơn, người ta đã quyết định chuẩn hóa các giá trị nhiệt độ tối đa trên biểu đồ thành 200¬ o C. Các kết quả cho ra bao gồm sự phân bố nhiệt độ trong phần vỏ, bóng đèn và nắp thủy tinh như được trình bày trong Hình. 13. Các biểu đồ cho thấy rằng các kết quả thu được đối với phương pháp FEM và FVM là giống nhau. Nhiệt độ tối đa có thể quan sát thấy được không chỉ riêng ở bóng đèn mà còn ở cả nắp thủy tinh, điều này cho thấy đây là bề mặt chính mà qua đó nhiệt được truyền ra bên ngoài hệ thống.

Biết rằng các kết quả thu được là giống nhau (không tính tới sự phân bố của các nhiệt độ cực cao trong bóng đèn), ta chỉ cần phải so sánh các thông tin về lưới cũng như là thời gian tính toán. Những thông tin này được tóm tắt trong bảng dưới đây. Các phép tính được thực hiện cho các lưới bao gồm khoảng 20.000 phần tử đối với phương pháp FEM và khoảng 18.000 ô đối với phương pháp FVM. Bất chấp các giá trị "tương tự" của các phần tử/ô, sự khác biệt về thời gian tính toán là rất lớn - 3 phút 53 giây đối với phương pháp FEM và 11 giây đối với phương pháp FVM. Lưu ý rằng ta phân tích quá trình này trong trạng thái ổn định, do đó, sự gia tăng đáng kể về thời gian tính toán không phải do phân tích quá trình phát triển mà là do việc ta đưa bức xạ vào như một trong những cơ chế trao đổi nhiệt.

Những phương pháp tính toán mà các chương trình Phần mềm SOLIDWORKS Simulation ( FEM ) và SOLIDWORKS Flow Simulation ( FVM ) sử dụng có thể được ứng dụng thành công để mô phỏng các quá trình truyền nhiệt. Dựa trên ba ví dụ đã được trình bày, chúng ta có thể nhận thấy rằng:

• trong trường hợp quá trình dẫn truyền tĩnh, phương pháp FEM cho kết quả nhanh hơn;

• trong trường hợp quá trình phát triển của sự dẫn truyền và đối lưu, phương pháp FVM cho kết quả nhanh hơn nhiều. Khi phân tích một quá trình ổn định, thời gian tính toán của cả hai phương pháp là như nhau;

• trong trường hợp quá trình truyền nhiệt ổn định bằng sự dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ, phương pháp FVM hoàn toàn nhanh hơn phương pháp FEM.

Ta nên nhớ rằng những quan sát này được dựa trên ba trường hợp đơn giản và chỉ biểu thị một mối quan hệ chung. Cần lưu ý kĩ càng rằng do sự khác biệt cơ bản trong nguyên lý hoạt động của phương pháp FEM và FVM, các mắt lưới được sử dụng trong các tính toán này không hề dễ dàng đem ra so sánh được với nhau. Do đó, các tính toán thu được không thể được coi là một thông tin cụ thể mà chỉ nên được coi là các giá trị biểu thị.

Khía cạnh quan trọng thứ hai trên thực tế, các vấn đề đã được trình bày trên chỉ là một phần của các ứng dụng có thể có của quá trình phân tích nhiệt. Trong từng vấn đề, ta đã bỏ qua sự truyền nhiệt trong chất lỏng, vì những phép tính đó không thể thực hiện được bằng phương pháp FEM được tích hợp trong chương trình SOLIDWORKS Simulation. Điều này có nghĩa là các quá trình mà trong đó sự đối lưu sẽ diễn ra theo phương pháp đối lưu tự do chứ không phải đối lưu cưỡng bức (nơi ta biết được các hệ số truyền nhiệt) là bất khả thi.

Tôi hy vọng rằng bài viết này đã làm rõ sự khác biệt phổ thông giữa FEA (FEM) và CFD (FVM) và ứng dụng của chúng trong việc mô phỏng các quá trình truyền nhiệt. Điều đáng chú ý là cả hai phương pháp đều có thể được sử dụng hiệu quả để phân tích nhiều vấn đề, mặc dù đối với một số quy trình, việc chọn một trong hai có thể cho phép bạn thu được kết quả nhanh hơn. Tôi cũng khuyến khích bạn hãy thử tìm hiểu thêm các bài báo khác của chúng tôi trong lĩnh vực thiết kế, mô phỏng, quản lý và sản xuất. Chúc bạn may mắn!