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例題８ 強制対流による放熱（過渡解析）
本例題について
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例題７と同じモデル（基板上に発熱体が配置されており、さらに基板に平行方向の風速による強制対流（空冷）による放熱がある場合）の過渡解析例を示します。
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強制対流の熱伝達係数を手計算で求める例題です。
自動的に求めたい場合は「簡易熱流体解析例題1」を参照下さい。
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温度分布や熱流束ベクトルを解析結果として見ることができます。
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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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Femtetのバージョンや環境により結果が多少ことなります。
解析モデルダウンロード
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プロジェクトファイルをダウンロード（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。）
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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熱伝導解析[Watt] |
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解析の種類 |
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解析オプション |
なし |
過渡解析タブにて以下のように設定しています。ステップ数は20で時間ステップは30秒
としていますので初期温度25度から600秒間における温度分布の変化を解析すること
ができます。
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タブ設定 |
設定項目 |
条件 |
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過渡解析 |
表 |
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初期温度 |
25 [deg] |
モデル図
例題７と同じモデルを用いています。材料定数、境界条件も同じです。
基板(VOL1)と発熱体(VOL2)それぞれを直方体のソリッドボディで定義し、発熱体にはボディ属性で発熱量を設定、
基板の上下面および発熱体の上面に強制対流による放熱の熱伝達係数を簡易式で算出して設定しています。
ボディ属性および材料の設定
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ボディ No./ボディタイプ |
ボディ属性名 |
材料名 |
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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※ |
※材料データベースを利用
VOL2での発熱量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 |
1[W] |
境界条件
強制対流の熱伝達係数は以下の式にて算出しています。詳細は「強制対流の場合の熱伝達係数」を参照してください。
係数を自動的に求めたい場合は「簡易熱流体解析例題1」をご参照ください。
h = 3.86 × （V/L）0.5×C [W/m2/deg]
ただし、
風速 V = 1[m/s]
基板（VOL1)の上下面： 代表長 L =0.05、C=1 → h=17.26
発熱体（VOL2）の上面： 代表長 L =0.02、L'=0.015、C＝1※ → h=27.3
※
発熱体の縁端部における速度境界層の厚みδは
δ=0.0182×（L’/V)0.5= 2.3[mm]
と算出されます。発熱体の厚み2[mm]と大差がないためC=１としています。
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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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BC1/Face |
熱 |
熱伝達・対流 |
熱伝達係数： 17.26 [W/m2/deg] 室温： 25 [deg] |
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BC2/Face |
熱 |
熱伝達・対流 |
熱伝達係数： 27.3 [W/m2/deg] 室温： 25 [deg] |
解析結果
それぞれの経過時間における温度分布の解析結果を示します。
ただし、描画設定のコンタータブにおいて自動のチェックをはずして最小値/最大値を25⇒62に設定しています。
60秒後
180秒後
360秒後
発熱部中央部の温度の時間変化のグラフを示します。
600秒経過時点でほぼ収束状況に達していることが分かります。