设计异型水路 要用3D计算流体力学分析

in Top Story on 10 月 07, 2019
By Jay Vang
Copyright MoldMaking Technology 2019. Reprinted with permission from Gardner Business Media.

直到现在,仍有许多人对异型水路抱持怀疑的态度,然而很大的原因在于没有完整的分析工具。虽然市面上的软件已提供很多优化工具和模块,是非常好的验证技术;但其效果仍取决于使用者所输入的东西,这也就是所谓「垃圾进、垃圾出(Garbage in, garbage out.)」的概念。若两名不同的分析者在进行模流分析时,输入不同的参数,可能会得到完全不同的结果。对于异型水路分析来说尤其如此,若输入了错误的假设,或遗失重要的参数,例如须达到所需的流率以确保产生紊流等,就会导致错误的结果。

模拟与分析

异型水路可协助将成型周期缩到最短,并达到产品所需的尺寸。然而此结果须在设计者能维持异型水路所需的流率之前提下才可达成。对于复杂的设计,若只进行散热模拟(仅将水路系统定义为散热源),是无法窥探模内行为的全貌的。图一可观察到一计算流体力学(CFD)分析结果,呈现流率约2.0 gpm时的雷诺数。


图一 计算流体力学(CFD)分析结果,呈现流率约2.0 gpm时的雷诺数

由图一可看到,部分区域的雷诺数高于4200,显示有紊流现象;但其他雷诺数低于4200的区域,则不一定会产生紊流。这种情况会造成整个冷却水路的冷却效率不一。流速与雷诺数有直接相关,因此设计者若能找出低流动或无流动的区域,就可藉此优化水路设计。模拟也可呈现流速结果找出低/无流动的潜在的迟滞区域。须记得流体都会顺着阻力最小的路径流动,因此冷却液会直接从进水口流往出水口,而不会循随机路径或往周围孔洞四处流动。

设计者可利用这些信息来优化水路设计,并把低流动和无流动区域尽可能缩小(如图一孔洞间的深蓝色区域)。例如可以尝试扩大间距迫使水流通过雷诺数较低的低/无流动区域,尽管冷却液还是会从阻力最小的路径流动。如此降低孔洞的影响之后,可以缩减低流动和无流动区域,在一定流率下最大化紊流现象。

现在的问题是:「这样的分析和散射分析差异有多大?」其实从冷却计算的立场来说并不大,且要视输入的流率而定。然而散热分析和CFD分析的结果将决定改变的效率和幅度。

为了贴合产品几何(如图二、图三),异型水路包含很多尺寸小、长度长的管线。尺寸小或厚度薄、且长度长的冷却水路设计,需要较大的压力,管线内才能达到足够的流率。所以若要了解异型水路,只进行一般的散热分析是不足的。


图二 同一个模型的冷却液压力结果,流率也一样是2.0 gpm

图三 利用线架构和3D网格的压降结果仿真比较图,显示推动流率所需要压力头,冷却液才能通过整个管线

压力需求

若雷诺数和流速是取决于流率,那么一个实际的问题是:找出要达到特定流率所需的压力,才会知道是否能达到所需的流率。图二显示模型的冷却液压力结果,流率也一样是2.0 gpm。

流体会往阻力最小的路径流动,为了产生紊流以确保对产品有良好的热传导,设计者必须了解其设计所需的压力和最小流率。图一即显示流体在大部分区域的雷诺数介于4,000和10,000+之间,就有可能产生紊流(Re # > 4200)。然而要达到这个数字,就需要较高的压力,来让流率2.0 gpm的冷却液流过整个管线。

目前市面上的调温器可以产生约100 PSI的压力,但要达到65 PSI可能也不大容易,原因是流体会流向管线中阻力较小的区域,例如热流板、模仁和模穴板等。若流率降至低于2.0 gpm,雷诺数也会降低仅能造成层流通过线路,对于冷却的效益是非常低的。此外,设计者若仅仅提高流至热流板的流率,并不会使管线内的流体产生线性分布。

如果设计者没有将异型水路和所使用的调温器作连结,又或是并没有使用限流器来将水推动至特定管线中,则模拟结果就会与实际情形有差距。若设计者无法达到维持整个异型水路中紊流的所需流率,还不如改用传统式钻孔水路,以达到同等或较佳的结果。

关于网格

透过精确的CFD分析,设计者可获得准确且可靠的异型水路模拟结果;然而并非所有的CFD都能达到一样的效果。接下来要解说的是模流分析软件中,针对水路分析的两种主要网格方法:线架构和3D架构。

线架构可呈现雷诺数、整个模具温度的升降,以及流动分布,但在预测压降时,准确度就不如3D架构。此外线架构对于捕捉真实的几何也有困难,仅能利用相对体积来建模。不过线架构也有优点,即仿真速度比3D网格还要快。

图三为比较线架构和3D网格模拟的压降结果,显示推动通过整个水路的指定流率所需的头压。虽然每条线路的压力需求比相似,线架构中显示在复杂线路所需的压力少了25%至50%,而复杂的水路设计是提高压力的潜在因素。若单只有压降结果,会使得调温器需求错误进而设计出不佳的异型水路,导致流体在流经水路时会受到限制而流量不足。

验证步骤

为了证明3D网格能比线架构捕捉到更精确的压降预测结果,来自 MGS Mfg. Group 的Kevin Klotz进行了压力预测的实验验证(如图四)。


图四 MGS Mfg. Group以实验验证压力现象:(1) DMLS异型水路嵌件,(2) 3D打印的喷泉式水路,(3-4) 不同长度和尺寸的透明管及连结水帮浦和水缸的压力表、流量计。

Klotz使用DMSL异型水路嵌件、3D打印的喷泉式水路、不同长度和尺寸的透明管及连结水帮浦和水缸的压力表和流量计来进行实验。此仪器是由CREO建模,其结果将被记录下来与仿真结果比较。同样的模型也提供给 Hoerbiger Corporation of America 的Jeet Sengupta博士,以利透过ANSYS CFX来进行CFD分析,以及用Moldex3D的3D边界层网格(BLM)来做分析。

两种软件工具都以每条管线记录的流率值,结合6.5 gpm的流率值输入帮浦,来记录进水口、出水口和压力表位置的压力。图五显示CFD分析和3D BLM建构模型的结果。透过3D BLM模型,设计者在进行仿真时,设定以直线接到进水口与出水口,而非弯曲管线,原因是仿真软件中须将流体的进出水口与模面垂直。


图五 CFD分析结果及3D BLM模型。透过3D BLM模型,设计者在进行仿真时,设定以直线接到进/出水口,而非弯曲管线,原因是仿真软件须将流体来源的进出水口与模面垂直。

两种软件的压力分析结果,都与实体仪器所记录的量值非常相近。表一为CFD分析和实际测量结果比较。其中CFD分析和BLM网格分析,与实际结果之间的最大差异分别约为5.0 psi和2.5 psi。若考虑压力表读数和流量计所测量的流率的限度,两种结果都在可接受的准确度范围内。


表一 压力的实际测量值与模拟结果比较

我们学到了什么?

倘若设计得当,异型水路的确能够发挥预期的效益。要达到此目标,我们需要全面的CFD模拟来协助观察流动特性。举例来说,3D打印的嵌件若分支为两个以上的管线,决定适合的分支,对于异型水路设计的效益将会有很大的影响。

若设计者只进行散热模拟,将无法准确预测异型水路等复杂水路设计中所需的压力,以达到能产生紊流的流率。然而透过3D网格架构,设计者就能精确捕捉到流体的流动特性,如动量变化等,以获得精确的压力分析。

Jay Vang
科盛科技(Moldex3D)客户项目工程师
美国威斯康辛大学密尔瓦基分校机械工程学士,在产品设计、研发、制造方面有丰富的经验,并擅长使用Moldex3D、 ProE/Creo、Solidworks和Sigmasoft等CAE仿真软件。Jay现职为Moldex3D客户项目工程师,协助客户使用CAE软件来确保塑料产品的生产质量。

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