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例題１８ 減圧環境下の自然対流解析
本例題について
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常圧時と減圧時の放熱特性を比較します。
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表に記載されていない条件はデフォルトの条件を使用します。
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本解析は、流体自動作成を使用して基板とICのみモデル化して解析することができます。
後半は、手動で流体部を作成して設定する方法も示します。
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プロジェクトファイルを取得（右クリックし、名前を付けてリンク先を保存してください。）
４つの解析モデルが入っています。
常温常圧100kPa：流体自動作成で解析したもの
減圧環境50kPa：流体自動作成で解析したもの
常温常圧100kPa：ic_board_with_air：流体を手動で作成して解析したもの
減圧環境50kPa：ic_board_with_air：流体を手動で作成して解析したもの -
Femtetのバージョンや環境により結果が多少ことなります。
解析空間
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項目 |
条件 |
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解析空間 |
3次元 |
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モデル単位 |
mm |
解析条件
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項目 |
条件 |
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流体解析[Bernoulli] 熱伝導解析[Watt] |
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解析の種類 |
定常解析 |
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層流/乱流 |
乱流をチェック |
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流れの種類 |
外部流れをチェック |
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環境設定 |
環境値を考慮した材料定数を用いた解析を行うをチェック 環境温度: 25℃ 環境圧力: 51200Pa (参照： 環境設定タブ) |
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流体自動作成の設定 |
外部流れ方向：自然対流+Z方向 |
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積層メッシュ設定 |
自動生成パラメータ 想定温度差：50[deg] |
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詳細設定 |
主要なフィールドのみ出力するをオフ |
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メッシュ設定 |
標準メッシュサイズ:2[mm] |
モデル図
直方体のソリッドボディを定義し、空気（000_空気)の材料を設定します。
外部境界条件を使用し、流入/流出：自然流入/流出を設定します。
内部に基板(VOL1))とIC(VOL2)をソリッドボディで定義します。
ボディ属性および材料、メッシュサイズの設定
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ボディ No./ボディタイプ |
ボディ属性名 |
材料名 |
メッシュサイズ |
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0/Solid |
VOL1 |
006_ガラスエポキシ※ |
- |
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1/Solid |
VOL2 |
001_アルミナ※ |
- |
流体自動作成の設定で、空気材料：000_空気※が設定されています。
※材料データベースを利用
発熱量タブにてIC(VOL2)を以下のように設定しています。
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ボディ属性名 |
タブ |
設定 |
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VOL2 |
発熱量 |
1W |
境界条件
外部境界条件は自動的に流入/流出：自然流入/流出となります。
流入する流体の温度は環境温度となりますので、環境設定で環境温度を設定しています。
解析結果
温度分布の解析結果を示します。
例題6と同様に、x=0の断面を表示します。ここでは空気ボディも表示しています。
ICの上方に温度の高い領域があり、主に上方に熱が伝わっている様子が確認できます。
減圧時の方がIC温度が高い（＝放熱効率が悪い）ことがわかります。
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常圧(100kPa) |
減圧(50kPa) |
次に、解析タイプを熱伝導解析から流体解析に切り替え、浮力を表示します。
減圧時の浮力は常温に比べ約半分になっていることがわかります。
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常圧(100kPa) |
減圧(50kPa) |
最後に、流体密度を表示します。
減圧時の密度は常温に比べ約半分になっていることがわかります。
これは環境圧力を常圧の約半分に設定し、その環境圧力を用いて密度が計算されるためです。（参照：密度タブ）
減圧時の浮力が常圧の約半分だったのは、浮力が密度から計算されているためです。（参照：「求解している微分方程式」4.外力項）
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常圧(100kPa) |
減圧(50kPa) |
流体自動作成を使用しない場合
参考として、流体自動作成機能を使用しない場合の設定方法も記載します。
解析条件[流体手動作成]
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項目 |
条件 |
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流体解析[Bernoulli] 熱伝導解析[Watt] |
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解析の種類 |
定常解析 |
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層流/乱流 |
乱流をチェック |
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流れの種類 |
外部流れをチェック |
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環境設定 |
環境値を考慮した材料定数を用いた解析を行うをチェック 環境温度: 25℃ 環境圧力: 51200Pa (参照： 環境設定タブ) |
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積層メッシュ設定 |
自動生成パラメータ 想定温度差：50[deg] |
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詳細設定 |
主要なフィールドのみ出力するをオフ |
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メッシュ設定 |
標準メッシュサイズ:10[mm] |
モデル図[流体手動作成]
直方体のソリッドボディを定義し、空気（000_空気)の材料を設定します。
外部境界条件を使用し、流入/流出：自然流入/流出を設定します。
内部に基板(VOL1))とIC(VOL2)をソリッドボディで定義します。
ボディ属性および材料、メッシュサイズの設定[流体手動作成]
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ボディ No./ボディタイプ |
ボディ属性名 |
材料名 |
メッシュサイズ |
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0/Solid |
VOL1 |
006_ガラスエポキシ※ |
2.0 |
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1/Solid |
VOL2 |
001_アルミナ※ |
2.0 |
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2/Solid |
Air |
000_空気※ |
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※材料データベースを利用
発熱量タブにてIC(VOL2)を以下のように設定しています。
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ボディ属性名 |
タブ |
設定 |
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VOL2 |
発熱量 |
1W |
境界条件[流体手動作成]
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境界条件名/トポロジ |
タブ |
境界条件の種類 |
条件 |
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外部境界条件 |
熱流体 |
流入/流出 |
自然流入/流出 流入温度：環境温度を使用する(25[deg]) |