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ResumenEn este documento se describen dos disipadores térmicos, el dispositivo médico de succión, el horno doméstico y una válvula de control industrial como ejemplos que ilustran de qué manera SolidWorks® Flow Simulation puede ayudar a los ingenieros de diseño a crear los mejores diseños de producto posibles cuando se enfrentan a problemas de transferencia térmica y flujo de fluidos. SolidWorks Flow Simulation es una aplicación de dinámica de fluidos computacional (CFD) inteligente y muy simple de usar que facilita el trabajo a los ingenieros de diseño que utilizan SolidWorks para crear sus diseños.
El papEl DE laS CFD En loS DiSEñoS rEalES
i n F o r M E T É C n i C o
El enfoque de SolidWorks Flow Simulation
Siempre aparecen problemas de transferencia térmica cuando los ingenieros de diseño trabajan con productos electrónicos que se pueden estropear fácilmente si se sobrecalientan. los disipadores térmicos resuelven el problema de sobrecalentamiento, pero ¿cuál es el mejor diseño y ubicación de un disipador térmico para un determinado dispositivo electrónico? ¿Y cómo puede un ingeniero de diseño seleccionar el disipador térmico más rentable y que mejor se adapte a su propósito sin construir ni romper muchos prototipos costosos?
Cuando se diseña un dispositivo médico de succión para una aplicación que necesita la velocidad de flujo más alta posible para una determinada caída de presión (succión), con una recirculación limitada dentro del dispositivo y el perfil de velocidad más uniforme que sea posible en el cabezal de succión, se producen problemas completamente diferentes. la cuestión vuelve a ser cómo seleccionar el mejor diseño de manera más rentable y rápida.
los mismos principios se aplican a los productos de consumo, como los hornos y los equipos industriales que incluyen válvulas de control.
los ejemplos mencionados arriba son problemas a los que se enfrentan los ingenieros de diseño en su labor diaria y también son muy representativos de los problemas cotidianos que se encuentran los diseñadores de muchos productos diferentes.
la dinámica de fluidos computacional (CFD) es una herramienta de simulación que puede ser de gran ayuda para resolver dichos problemas. Sin embargo, muy a menudo, los programas de CFD son muy complejos y difíciles de usar, especialmente por los ingenieros de diseño que no tienen conocimientos avanzados sobre la física de flujos de fluidos. SolidWorks Flow Simulation ofrece una CFD inteligente y fácil de usar a los ingenieros de diseño que usan SolidWorks para la creación de diseños.
Diseño 1: disipador térmico para dispositivo externo
El primer disipador térmico es para una pieza de un equipo electrónico, como una cámara de vigilancia, que se utilizará en el exterior de los edificios. para protegerla de los elementos, el dispositivo tiene que estar bien sellado, pero sin ventilación la mayor parte de la transferencia térmica se realizará sólo por un lado del alojamiento. En este caso, el disipador térmico tiene que ayudar a eliminar el calor. El fabricante del dispositivo se ha decidido por un disipador térmico listo para usar y su diseño ya no se puede cambiar.
¿Cómo puede el ingeniero de diseño encontrar maneras rentables de incrementar la refrigeración con unos parámetros tan restringidos?
Si empezamos con un modelo de SolidWorks del disipador térmico comercial (ilustración 1), el diseñador puede ver que, a medida que la fuerza de la gravedad actúa hacia abajo, el calor del alojamiento se dirigirá a las aletas del disipador térmico, y se eliminará mediante la elevación de aire más ligero, es decir, por convección natural. para probar un diseño con protección, el diseñador colocará una cubierta sobre el disipador térmico y, a continuación, deberá determinar si esa acción generará un efecto chimenea, creando más flujo de aire y enfriando así de manera más eficaz el producto electrónico.
Muy a menudo, los programas de CFD son muy complejos y difíciles de usar, especialmente por los ingenieros de diseño que no tienen conocimientos avanzados sobre la física de flujos de fluidos. SolidWorks Flow Simulation ofrece una CFD inteligente y fácil de usar a los ingenieros de diseño que usan SolidWorks para la creación de diseños.
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ilustración 1: Disipador térmico autorizado.
Con SolidWorks Flow Simulation, el ingeniero de diseño utiliza el asistente de proyectos para configurar el análisis del flujo. El asistente de proyectos permite al diseñador: definir el sistema de unidades que se va a usar, el fluido como aire, y el tipo de análisis como un problema de transferencia térmica conjugada externa; aplicar la gravedad para conducir el flujo para la convección libre; introducir la temperatura ambiente y las condiciones de presión; y seleccionar el nivel de mallado automático para la resolución de resultados. Todo ello dentro de una interfaz sencilla y fácil de utilizar.
El siguiente paso lleva al ingeniero al gestor de análisis de SolidWorks Flow Simulation, donde puede aplicar la carga de potencia térmica en el disipador térmico con una sencilla opción del menú que aparece al hacer clic con el botón derecho del ratón que también le orienta en el establecimiento de la ubicación para la carga y la entrada de potencia.
por último, el ingeniero de diseño define los objetivos generales de diseño del análisis, la temperatura máxima del disipador térmico, y la velocidad máxima del aire como objetivos, lo que le permite supervisar esos valores durante el cálculo y crear una tabla de valores calculados cuando haya finalizado el análisis.
ilustración 2: Disipador térmico sin protección. Disipador térmico con protección.
para determinar si el disipador térmico funcionará mejor con la protección o sin ella, el ingeniero de diseño ejecuta un análisis de CFD de SolidWorks Flow Simulation.
parámetro Sin protección Con protección
Temperatura (ºC) 62,0 55,9
Tabla 1: Temperatura media calculada para cada versión del diseño.
Con SolidWorks Flow Simulation, el ingeniero de diseño utiliza el asistente de proyectos para configurar el análisis del flujo.
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ilustración 3: resultados del análisis, que muestran las reducciones de velocidad. los colores más cálidos indican una velocidad vertical superior. El diseño con la protección tiene mayor velocidad alrededor de las aletas del disipador térmico.
ilustración 4: reducciones de velocidad a través de una sección vertical. los resultados muestran que la versión con la protección tiene una velocidad mucho mayor dentro del modelo.
ilustración 5: reducciones de temperatura a través de una sección transversal. Este resultado demuestra que el modelo con la protección transfiere más calor al aire.
ilustración 6: reducciones de temperatura a través de una sección transversal. Estos resultados muestran que el modelo con la protección es bastante más frío, con temperaturas que van de los 55ºC a los 57ºC. El disipador térmico sin la protección supera estas temperaturas.
los estudios de SolidWorks Flow Simulation muestran que la incorporación de una protección a un disipador térmico montado verticalmente produce un incremento importante de la refrigeración, con una disminución del 10,9% de la temperatura media si se comparan los dos diseños.
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Diseño 2: disipador térmico para el chip principal de un alojamiento electrónico
El segundo disipador térmico necesita proteger el chip principal, instalado con otros componentes electrónicos, en un alojamiento electrónico. En este caso, el ingeniero de diseño necesita identificar y seleccionar la mejor forma del disipador térmico para esta finalidad.
ilustración 7: Modelo de alojamiento electrónico.
El diseño que se muestra en la ilustración 7 es un modelo de ensamblaje electrónico de SolidWorks de un alojamiento, incluido el disipador térmico principal. El ventilador instalado insufla aire al alojamiento, a través del disipador térmico, y lo extrae a través de las ranuras de salida para enfriar los componentes electrónicos calentados por convección forzada. ¿Cuál de los dos disipadores térmicos con forma diferente que se encuentran en el mercado hacen que el chip principal se caliente menos?
El ingeniero de diseño puede determinar esto con SolidWorks Flow Simulation de manera muy sencilla. Como en el análisis anterior, el ingeniero de diseño usa el asistente de proyectos para configurar el problema de transferencia térmica conjugada interna. para definir el ventilador en este análisis de flujo forzado, el diseñador puede seleccionar el perfil de ventilador adecuado de una lista disponible en la Base de datos de ingeniería integrada en SolidWorks Flow Simulation.
a continuación, el diseñador utiliza fuentes de calor volumétricas para representar los componentes que se calientan durante el uso y establece objetivos de temperatura máxima y media del chip principal y del disipador térmico. Cuando el análisis haya finalizado, podrá ver las temperaturas resultantes como trazados de superficie sobre los componentes eléctricos y como trazados de corte a través del fluido y los sólidos. El ingeniero de diseño también puede crear vectores de velocidad que faciliten la visualización de los patrones de flujo a través de los cuales el ventilador insufla aire al disipador térmico y alrededor de todo el alojamiento.
ilustración 8: Formas concurrentes del disipador térmico. SolidWorks Flow Simulation ayuda a los ingenieros a calcular la temperatura del alojamiento electrónico.
Tabla 2: Temperaturas máxima y media calculadas del chip principal con cada uno de los dos disipadores térmicos.
para definir el ventilador en este análisis de flujo forzado, el diseñador puede seleccionar el perfil de ventilador adecuado de una lista disponible en la Base de datos de ingeniería integrada en SolidWorks Flow Simulation.
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ilustración 9: resultados del análisis en un trazado de corte de temperatura, mostrando la vista frontal, tal como se obtiene para el disipador térmico n.º 1. la paleta de 30 colores muestra temperaturas en un rango de 50ºF a 100ºF.
ilustración 10: Trazado de corte de temperatura, mostrando la vista superior, tal como se obtiene para el disipador térmico n.º 1.
ilustración 11: Trazado de corte de temperatura, que muestra la vista lateral, tal como se obtiene para el disipador térmico n.º 1.
ilustración 12: los vectores de velocidad, que muestran una vista lateral, tal como se obtiene para el disipador térmico n.º 1.
ilustración 13: resultados del análisis en un trazado de corte de temperatura, que muestra la vista frontal, tal como se obtiene para el disipador térmico n.º 2.
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ilustración 14: Trazado de corte de temperatura, que muestra la vista superior, tal como se obtiene para el disipador térmico n.º 2.
ilustración 15: Trazado de corte de temperatura, que muestra la vista lateral, tal como se obtiene para el disipador térmico n.º 2.
Como el propósito del análisis de SolidWorks Flow Simulation era permitir la elección de la mejor forma de disipador térmico para un chip principal instalado con otros componentes electrónicos en un alojamiento electrónico, y los resultados muestran una reducción del 17,5% en las temperaturas de los sólidos en el disipador térmico n.º 2, dicha forma demostró ser la mejor.
Diseño 3: pantalla de un dispositivo médico de succión
En este diseño, el ingeniero de diseño necesita identificar la mejor forma de pantalla para un dispositivo médico de succión, con el objetivo de permitir el caudal de flujo más alto para una determinada succión, limitar la recirculación dentro del dispositivo y también crear el perfil de velocidad más uniforme en el cabezal de succión.
En la ilustración 16 se muestra el modelo de ensamblaje de SolidWorks del dispositivo, incluida una pantalla con cortes triangulares. El flujo entra en el dispositivo a través de un cabezal cónico, fluye a través de la pantalla y baja por el tubo. El diseñador configura el flujo interno en el asistente de proyectos y define las condiciones de presión de entrada y salida. El objetivo del análisis de SolidWorks Flow Simulation es determinar el caudal de flujo a una determinada caída de presión para cada uno de los dos diseños de pantalla, uno con cortes triangulares tal como se muestra en el modelo y otro con cortes circulares, cuando se instalan en el dispositivo de succión. aquí, además del caudal de flujo de volumen calculado, el ingeniero utiliza las trayectorias del flujo para mostrar los recorridos que toman las moléculas de aire representativas a través del dispositivo. También podrá crear una animación de las trayectorias del flujo para producir una mejor visualización de los patrones de flujo y áreas de recirculación.
ilustración 16
El objetivo del análisis de SolidWorks Flow Simulation es determinar el caudal de flujo a una determinada caída de presión para cada uno de los dos diseños de pantalla.
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ilustración 17: las dos formas de pantalla objeto de estudio.
Tabla 3: Caudales de flujo volumétrico calculados para cada forma de pantalla.
ilustración 18: Trazados de corte de presión para cada diseño. los dos diseños tienen perfiles de presión similares.
ilustración 19: Esquemas de corte de la velocidad con vectores de velocidad en cada diseño. los dos diseños tienen perfiles de velocidad similares en el cabezal de succión.
ilustración 20: Trazados de trayectoria que muestran la zona de recirculación.
ilustración 21: Trazados de trayectoria en una zona de recirculación para cada diseño. aunque los dos diseños tienen recirculación, la zona para el diseño triangular es más grande.
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Como se indica arriba, el propósito de este análisis era seleccionar el cabezal de pantalla que mejor funcionara para el dispositivo médico de succión. los resultados muestran un caudal de flujo un 7,8% superior cuando se usa la pantalla con cortes circulares y los dos diseños tienen perfiles de velocidad razonablemente iguales en el cabezal de succión. Sin embargo, el diseño de corte circular tiene una zona de recirculación más pequeña, con lo que es evidente que este diseño proporcionará un rendimiento superior, basado en los criterios de diseño originales.
Diseño 4: horno doméstico
En este diseño de un horno doméstico, el ingeniero de diseño puede utilizar SolidWorks Flow Simulation para estudiar el patrón de flujo de aire y la distribución de la temperatura, y optimizar el diseño para conseguir que el aire caliente circule de manera uniforme para conseguir un horneado uniforme. El programa de CFD permite estudiar la transferencia térmica por conducción, convección y radiación en el horno.
la ilustración 20 muestra el modelo de SolidWorks del horno, con tres bandejas y un pastel en cada una de ellas. El objetivo del análisis de SolidWorks Flow Simulation es optimizar el flujo de aire calentado, mediante el estudio de la convección natural dentro del horno y la comprobación de la temperatura de superficie final del objeto que se está cociendo. para hacerlo, el diseñador introduce aire caliente a 120ºC en la cámara del horno y eleva la temperatura desde los 20ºC iniciales.
ilustración 22: Modelo de SolidWorks del horno con tres bandejas y pasteles.
ilustración 23: Temperatura en la superficie de los pasteles para el diseño 1.
El objetivo del análisis de SolidWorks Flow Simulation es aprender qué diseño de bandeja proporcionará el flujo óptimo de aire caliente mediante el estudio de la convección natural dentro del horno.
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En la ilustración 21 se muestran los resultados de temperatura de la superficie, con un calentamiento irregular del objeto colocado en la pila de bandejas. Como el aire caliente es más ligero que el aire más frío, éste sube a la parte superior y la temperatura disminuye en alturas inferiores.
El ingeniero de diseño utiliza el asistente para configurar una simulación de flujo interno mediante la introducción de la temperatura inicial del horno. Define la velocidad del aire caliente junto con su temperatura en las seis entradas, así como la condición de presión en la salida. para visualizar los resultados, el ingeniero puede trazar la distribución de la temperatura alrededor del objeto que se está cociendo y para obtener una mejor visualización del flujo de aire, puede trazar trazados de las trayectorias de flujo y contornos de velocidad en varias secciones.
SolidWorks Flow Simulation también puede determinar si el rendimiento del horno será más eficaz si el diseñador añade deflectores de flujo de aire. además, para optimizar el diseño, el ingeniero puede estudiar tanto la ubicación ideal como el número de entradas que introducen aire caliente en el horno.
ilustración 24: Distribución y velocidad del aire en la bandeja superior alrededor del pastel con el diseño 2.
ilustración 25: Distribución y velocidad del aire en la bandeja inferior alrededor del pastel con el segundo diseño.
ilustración 26: Trayectorias de flujo en el horno para la bandeja con cinco aberturas, con temperaturas.
Como el aire caliente es más ligero que el aire más frío, éste sube a la parte superior y la temperatura disminuye en alturas inferiores.
SolidWorks Flow Simulation también puede determinar si el rendimiento del horno será más eficaz si el diseñador añade deflectores de flujo de aire.
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Diseño 5: válvula de control
En este diseño, el ingeniero necesita optimizar el diseño de una válvula de control para una pérdida de presión mínima y también para predecir los posibles problemas de cavitación.
El ingeniero utiliza la CFD para realizar una simulación de flujo de aire interno a través de la válvula. los resultados de la CFD ofrecen al ingeniero información detallada del patrón de flujo en dicha válvula mediante los resultados del análisis que muestran las trayectorias de las partículas, la presión y la velocidad del flujo. SolidWorks Flow Simulation facilita el cálculo de las presiones en las aberturas y a través de todo el modelo, un nivel de información completa que no se puede obtener fácilmente con pruebas físicas debido a la dificultad que supone colocar instrumentos para proporcionar información suficiente acerca de lo que sucede dentro de la válvula.
En la ilustración 27 se muestra el modelo de SolidWorks en 3D de la válvula. El ingeniero de diseño configura la simulación con la ayuda del asistente de SolidWorks Flow Simulation. Define la velocidad a la que entra el aire en la válvula por la entrada y aplica presión estática equivalente a la atmósfera en la salida.
ilustración 27: Modelo de SolidWorks en 3D de la válvula.
ilustración 28: En todo el modelo se muestra la distribución de la velocidad con vectores gradientes.
ilustración 29: las trayectorias de velocidad ayudan a estudiar el patrón de flujo.
SolidWorks Flow Simulation facilita el cálculo de las presiones en las aberturas y a través de todo el modelo, un nivel de información completa que no se puede obtener fácilmente con pruebas físicas.
además de los trazados, SolidWorks Flow Simulation también puede generar una tabla que muestre los valores de flujo en cualquier punto, superficie o volumen dentro del modelo.
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ilustración 30: El trazado de distribución de presión con isobaras muestra la posibilidad de cavitación, lo que demuestra que no es un problema en el caso de esta válvula de control.
El trazado de resultado de presión muestra una pérdida de presión mínima para este diseño de válvula. la presión en la región donde se podría producir la cavitación se convierte en negativa, lo que indica que la válvula no experimentaría la cavitación. además de los trazados, SolidWorks Flow Simulation también puede generar una tabla que muestre los valores de flujo en cualquier punto, superficie o volumen dentro del modelo.
Conclusión
Tanto si diseñan disipadores térmicos para productos electrónicos, dispositivos médicos de succión, productos de consumo o válvulas de control industrial, los ingenieros de diseño necesitan saber qué diseño es el mejor, y a la vez evitar costes y tiempo adicionales fabricando demasiados prototipos para lograr sus objetivos. las herramientas de simulación de dinámica de fluidos computacional pueden ayudarle a cumplir este objetivo. SolidWorks Flow Simulation es una herramienta inteligente y fácil de usar que permite probar múltiples diseños y situaciones para estudiar los problemas de transferencia térmica y flujo de fluido para optimizar los diseños y evitar malgastar tiempo ni dinero en el proceso.
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