Quạt được xem là tương đối không phù hợp với phân tích Fluid-Thermal giữa các thành phần điện tử. Bởi vì Quạt là một bộ phận chuyển động nên các dòng lưu chất xung quanh Quạt thường rất phức tạp.
Một buổi Phỏng Vấn nhân viên công ty Oriental Motor về tình trạng hiện tại của họ trong phân tích CFD và thiết kế một số case-studies về Quạt, và tính hiệu quả sử dụng kết quả mô phỏng thử nghiệm.
Nền tản của việc áp dụng phân tích CFD cho Quạt.
Kỹ sư lưu chất đã sử dụng phân tích nhiều loại cánh khác nhau trong nhiều năm, đặc biệt dùng để phân tích sản phẩm quy mô lớn như ốc vít cho tàu biển và cánh quạt cho cối xoay gió. Mặc dù những công ty nghành công nghiệp nặng sản xuất những sản phẩm quy mô lớn này thường phát triển các chương trình phân tích của riêng họ, nhưng việc phân tích lưu chất của quạt cho thiết bị điện tử đã bị tụt lại phía sau. Đối với một điều, phương pháp phân tích cho cánh quạt quy mô lớn không thể áp dụng đơn giản để phân tích cho các thiết bị điện tử. Thông thường, lưu chất trên cánh quạt không chảy dọc theo cánh quạt, hơi hơi tách ra khỏi cánh quạt. Các điều kiện hoặc trạnh thái của chất lỏng tách ra khỏi cánh quạt rất khác nhau giữa quạt kích thước nhỏ (đường kính vài centimet) và quạt thổi quy mô lớn ( đường kính gần một mét ). Do đó, đối với kỹ sư thiết kế thiết bị chất lỏng, những chiếc quạt này dường như ở các kích thước hoàn toàn khác nhau. Ngoài ra đối với nhiều nhà sản xuất đồ điện tử, quạt chỉ là một bộ phận của thiết bị điện, vì vậy họ không thể đầu tư thời gian và tiền chỉ cho một thiết kế quạt. Do đó, hầu hết kỹ sư thiết kế phải lặp lại thử & sai, và phụ thuộc phần lớn vào kinh nghiệm của họ cho thiết kế & phát triển quạt, và quản lý nhiệt bằng quạt.
Sự phát triển của quạt cho “ Earth Simulator”.
Mt.Ito là một chuyên gia phát triển quạt. Một trong những sản phẩm anh ta đã phát triển tại Oriental Motor là quạt cho “ Earth Simulator” được dùng cho dự đoán khí hậu bởi cơ quan khoa học và công nghệ marine-Eart nhật bản. Xấp xỉ 400 máy tính, mỗi cái có kích thước 100x140x200 cm, được đặt trong phòng máy rộng rãi giống như phòng tập thể dục. Toàn bộ hệ thống được gọi là “ Earth Simulator”. Có phòng điều hòa không khí ở tầng hầm nơi 6 quạt được dùng để cung cấp không khí lạnh lên trên một máy tính. Ở đây, tổng 2400 quạt được dùng cho hệ thống.
Từ khi nhà sản xuất Earth Simulator chú trọng làm mát bằng không khí hơn làm mát bằng nước, nên họ đã yêu cầu dùng quạt với hiệu suất cực cao. Trên hết, nhu cầu của họ về biện pháp đối phó với mực độ tiếng ồn cao từ 2400 quạt là rất khó giải quyết. Tại thời điểm này, Oriental Motor đã không dùng bất kỹ công cụ phân tích âm thanh nào, thậm chí một công cụ phân tích thermos-fluid. Do đó, công ty đã dùng “ Rapid Prototyping Machine” để tạo ra một nguyên mẫu bằng nhựa, lặp lại các phép đo các đặc tính & âm thanh . Nói chung, một số nguyên mẫu là đủ để phát triển các sản phẩm tiêu chuẩn của công ty; tuy nhiên họ dàng 6 tháng tạo ra nhiều hơn 60 nguyên mẫu để phát triển quạt cho Eart Simulator.
Sản phẩm hoàn chỉnh có chiều cao và chiều rộng 25cm tốc độ dòng chảy hơn 40 lần so với quạt dành cho cá nhân thông thường. Hiện này, quạt được dùng rộng rãi cho các thiết bị cần một lượng lớn công suất gió lớn như máy tính chuyên dụng với hiệu suất tính toán cao cho một thiết bị kiểm tra chất bán dẫn, và biến tần cho tái tạo năng lượng gió và mặt trời.
Figure.1 Standard product equivalent to the fan used for the original "Earth Simulator".
Figure.2 Image of CFD analysis for the product adopted in "Earth Simulator".
Giới thiệu công cụ phân tích bởi vì tầm quan trọng của sự trực quan hóa
Hiện tại, kỹ sư thiết kế của Oriental Motor đã không dựa vào bất kỳ phần mềm mô phỏng nào để phát triển quạt cho Earth Simulator. Trong khi đó họ đã đạt được nhiều kinh nghiệm giá trị thông qua quy trình thử nghiệm bị lỗi lặp đi lặp lại, hẹ đã trải qua rất nhiều khó khăn để phát triển và nhận ra tầm quan trong trọng của mô phỏng flow. Họ không thể tìm ra nguyên nhân của kết quả không mong muốn nếu họ không thể quan sát flow. Tốt nhất, flow nên đo trực tiếp; tuy nhiên việc mua các thiết bị đo lường cực kỳ đắt. Ngoài ra, việc nắm bắt dòng chảy qua các khoảng trống nhỏ giữa các cánh quạt sẽ rất khó khăn ngay cả với thiết bị. Ở đây, Mr.Ito đã áp dụng “ PHOENICS”. Với phần mềm này, họ đã đạt được thành tựu trong thiết kế nhiệt cho thiết bị điện và được khách hàng đánh giá cao. Tuy nhiên, nó vẫn chưa đủ hiệu qủa để phân tích quạt bởi vì lưới thiếu độ mịn để dự đoán hiện tượng trên quạt. Người ta nói rằng việc chia lưới gần 2 tuần ngay cả đối với chuyên gia, và điều này không thực tế đối với nhiều kỹ sư.
Cảm hứng mới thông qua mô phỏng
Hiện tại, họ thực hiện phân tích dùng SC/Tetra trong khi làm mẫu quạt mới. Họ đo các đặc tính P‑Q của quạt được tạo bởi “tạo mẫu nhanh” bằng một thiết bị chuyên dụng và xác nhận sự khác biệt về đặc tính thông qua mô phỏng. Sau đó, cấp độ và loại tiếng ồn được phân tích bằng một micrô đặc biệt trong buồng không dội âm và dữ liệu được sử dụng để xem xét lại hình dạng quạt.
“Một lợi thế của mô phỏng là chúng ta có thể suy nghĩ lại niềm tin của mình về mô hình dòng chảy.” ông Ito nói. Anh ấy đã trải nghiệm rằng việc so sánh giữa mô phỏng CFD và kết quả thử nghiệm mang lại những ý tưởng mới cho một sản phẩm tốt hơn.
Lần đầu chia lưới tự động của lưới phi cấu trúc.
Trong trường hợp này, Mr.Ito đã tìm thấy “SC/Tetra” phát triển bỏi Sofware Cradle, một phần mềm phân tích nhiệt-lưu chất cho lưới phi cấu trúc. Khi anh ta dùng phần mềm cho lần đầu, anh ta khá ấn tượng bởi cách no tạo lưới tự động mượt, không tốn nhiều công sức chuẩn bị. Vì không có phần mềm phân tích nào khác đi kèm với chia lưới tự động tạo lưới phi cấu trúc vào thời điểm đó, nên anh ấy đã quyết định sử dụng SC/Tetra. Với phần mềm này, nó mất chỉ 1 tiếng đồng hồ để hoàn thành chia lưới trong khi các điều kiện biên và vùng xoay được đặt cho mẫu CAD. Ngoài ra, việc tính toán không mất nhiều hơn 2 giờ. Điều kiện phân tích có thể được thay đổi dễ dàng, thậm chí tự động để thực hiện phân tích cho cấu hình khác nhau. Ngoài những quạt mà Mr.Ito đang xử lý, các điều kiện cụ thể như đốt chays hoặc phản ứng hóa học cũng có thể được xem xét bằng phần mềm.
Sự cần thiết phải học sử dụng đồng thời giải pháp mô phỏng.
Trong khi đó, phân tích nhiệt- lưu chất bởi về bản chất gây ra một số lỗi do tính không chắc chắn: Sơ đồ số thường đưa ra giải pháp gần đúng và việc mô hình hóa hoàn chỉnh một sản phẩm hoặc hiện tượng thực tế là không thể. Tuy nhiên, mô phỏng được cân nhắc tính hiệu quả để giảm lỗi thiết kế sai lầm. Mr.Ito nói “ một trong lợi thế của dùng phần mềm mô phỏng là tiết kiệm thời gian quý báu để giải quyết thách thức mới bằng cách giảm thời gian sản xuất lại do thiết kế lỗi.
Tuy nhiên, anh ấy vẫn đang cố gắng làm cho các bộ phận liên quan hiểu được những ưu điểm này của các sản phẩm phần mềm CFD. Chẳng hạn, kỹ sư thiết kế mạch xác định các thông số kỹ thuật khác nhau như điện áp theo phân số. Do đó, họ có xu hướng tin răng giá trị nhiệt chính xác sẽ được tạo ra sau khi các điều kiện được xác định. Tuy nhiên, các vấn đề nhiệt là “ khó đoán” cho kỹ sư xử lý các vấn đề nhiệt. Mr.Ito nói “ nó giống như một khoảng cách nhận thức giữa các suy nghĩ digital và analog. Thậm chí kỹ sư thiết kế không thể dự đoán nhiệt độ chính xác, họ có thể tránh việc sản xuất nhiều lần thông qua mô phỏng trước. anh ta hy vọng rằng có nhiều kỹ sư sẽ hiểu đặc điểm của phân tích CFD và tận dụng tối đa lợi thế của mô phỏng.
Mr.ITO, Oriental Motor co.,Ltd : Thermal department chief researcher PH.D (Engineering)
Oriental Motor là một công ty phát triển rộng đa dạng các sản phẩm Motor như động cơ chính xác cỡ nhỏ và hệ thống tổng bao gồm mạch điều khiển của quạt. Họ cung cấp sản phẩm đến một loạt các lĩnh vực: Industrial machinerues, laboratory devices & Medical devices.
