Naturlig Konvektion

Casestudie - Simulering af naturlig konvektion

Problemer vedrørende termisk transport forårsaget af konvektion er relaterede til temperaturdrevne flows. Disse flows er drevne på grund af forholdet mellem temperaturen og densiteten af fluiden. I mange fluider, så som luft, er densiteten aftagende når temperaturen er stigende og omvendt. Lokale temperaturforskelle ændrer den lokale densitet af flowet og genererer et opdriftsdrevet flow. Dette opdriftsdrevne flow forårsager de strømningen som betegnes naturlig konvektion. I denne artikel vil vi ved simulering af naturlig konvektion studere hvor dette kan modelleres og anvendes i en 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 eksempelvis en styrende effekt i alle vejrsystemer såsom formationen af vind eller tropiske cykloner. I ingeniør og industrielle anvendelser, anvendes simulering af naturlig konvektion eksempelvis til optimering at køle enheder uden brug af elektrisk drevne køleblæsere.

Formål - Simulering af naturlig konvektion

Dette case studie tager udgangspunkt i en lys-udsendende diode (LED) og er inspireret af arbejdet i [1]. LED’er konverterer elektrisk energi til lyst med en effektivitet på omkring 25-35% [2], hvor den resterende del af energien bliver konverteret til termisk energi. Den termiske energi er genereret i et relativt lille volument i LED lampen, hvormed store lokale temperaturer opstår. Ved temperaturkontrol af LED lamper er kritisk at tage højde for da høje temperaturer kan forårsage et skift i emmisionsbølgelængden, nedsætte lumen outputtet og reducere operationstiden af lampen.

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 nedenunder:

led lamp passive cooler computational fluid dynamics natural convection

 

Simuleringsopsætning

geometry boundary conditions computational fluid dynamics natural convection passive cooler

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 to-vejs koplet problem, da temperaturfeltet influerer hastighedsfeltet og omvendt. Naturlig konvektion er beregningsmæssigt udfordrende at løse, på grund af de mange fysiske felter (tryk, hastighed og temperatur) og det ikke-lineære og koblede fysik.

Strømingen er antaget at være turbulent, kompressibel og tidsafhængig hvor kompressibiliteten af fluiden er modelleret med idealgasligningen. Vi antager at varmetransporten i solided er stryret 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 termperaturen af den omkringliggende luft er 300 K.  Beregningsdomænet og randbetingelserne er vist til venstre.

Resultater

Idet den termiske energy fordeles i den passive køler, opvarmes den omkringliggende luft og flowet bliver accellereret på grund af forskellen mellem densiteten af det kolde og det varme luft. Den 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 den passive køler er plottet på nedenstående figurer:

Temperaturen af fluiden i et tværsnit og varmefluksen på overfladen af den passive køler.

Temperaturen af fluiden i et tværsnit og varmefluksen på overfladen af den passive køler.

Temperaturen af fluiden og soliden i et tværsnit.

Temperaturen af fluiden og soliden i et tværsnit.

Temperaturen af fluiden i et tværsnit og temperatur foskellen mellem den passive kløler og den omkring liggende luft.

Temperaturen af fluiden i et tværsnit og temperatur foskellen mellem den passive kløler og den omkring liggende luft.

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

Case studiet demonstrerer et industrielt eksempel på et problem, hvor naturlig konvektion er kritisk at modellere. Hvis din virksom er udfordret af problemstillinger, hvor naturlig konvektion er vigtige 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 af den passive køler og et tværsnit af beregningsdomænet er vist nedenunder:

mesh  computational fluid dynamics natural convection passive cooler

Reference

[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.