شبیه‌سازی عددی مقاومت حرارتی تماس بین ویفر سیلیکونی و سرامیک آلومینا با استفاده از نرم‌افزار ANSYS و اعتبارسنجی بر اساس داده‌های تجربی

---

شرح پروژه

باسلام و احترام
عنوان پروژه درس انتقال حرارت هدایتی (Conduction) – کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک
عنوان فارسی:

شبیه‌سازی عددی و تحلیل پارامتریک مقاومت حرارتی تماس بین ویفر سیلیکونی و سرامیک آلومینا با استفاده از نرم‌افزار ANSYS و اعتبارسنجی بر اساس داده‌های تجربی

عنوان انگلیسی:

Numerical Simulation and Parametric Analysis of Thermal Contact Resistance between Silicon Wafer and Alumina Ceramic Using ANSYS: Validation against Experimental Data

 
شرح خدمات فنی پروژه
۱. معرفی و هدف پروژه
این پروژه به‌عنوان پروژه درس انتقال حرارت هدایتی (Conduction) در مقطع کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک تعریف شده است.

هدف اصلی، بازسازی عددی یک آزمایش تجربی مربوط به مقاومت حرارتی تماس (Thermal Contact Resistance) بین دو ماده جامد شامل ویفر سیلیکونی (Silicon Wafer) و سرامیک آلومینا (Alumina Ceramic) با استفاده از نرم‌افزار ANSYS است.

در این پژوهش، ابتدا هندسه، مشخصات ترموفیزیکی مواد، شرایط مرزی و نحوه انتقال حرارت در فصل مشترک دو نمونه مطابق مقاله مرجع مدل‌سازی می‌شود. سپس با استخراج دما از محل ترموکوپل‌های تعبیه‌شده در نمونه‌های آزمایشگاهی و مقایسه آن‌ها با نتایج عددی، صحت مدل شبیه‌سازی مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.

پس از دستیابی به اعتبارسنجی قابل قبول، تأثیر چند پارامتر هندسی و حرارتی بر رفتار انتقال حرارت و مقاومت حرارتی تماس بررسی خواهد شد.

هدف نهایی، ارائه یک مطالعه عددی معتبر، تحلیل رفتار انتقال حرارت هدایتی در فصل مشترک دو ماده و بررسی پارامتریک عوامل مؤثر بر مقاومت حرارتی تماس است.

۲. مقاله مرجع پروژه
Experimental Study of Influence Factors on Thermal Contact Resistance with Theoretical Model Correlation

مجله: International Communications in Heat and Mass Transfer
سال انتشار: 2026
جلد: 173
شماره مقاله: 110734
حوزه پژوهش: Thermal Contact Resistance
مواد مورد بررسی: Silicon و Alumina Ceramic
روش مطالعه مقاله: Experimental Study
هدف از این پروژه، بازسازی عددی مستقل آزمایش مقاله و توسعه مطالعات پارامتریک تکمیلی با استفاده از ANSYS است.

۳. مرحله اول: بازسازی مدل و شبیه‌سازی پایه
مجری موظف است مدل آزمایشگاهی مقاله را با رعایت مشخصات زیر در ANSYS بازسازی کند:

مشخصه
مقدار
جنس نمونه اول
Silicon Wafer
جنس نمونه دوم
Alumina Ceramic (95%)
قطر هر دو نمونه
45 mm
ضخامت هر دو نمونه
10 mm
تعداد نقاط اندازه‌گیری دما
6 نقطه
نوع تحلیل
Steady-State Thermal
نرم‌افزار
ANSYS Workbench
الزامات مدل‌سازی:

بازسازی هندسه نمونه‌های سیلیکون و آلومینا مطابق مقاله.
مدل‌سازی فصل مشترک دو نمونه با درنظرگرفتن مقاومت حرارتی تماس.
تعریف خواص ترموفیزیکی مواد مطابق مقاله و منابع معتبر.
اعمال شرایط مرزی و بارگذاری حرارتی مطابق دستگاه آزمایش.
انتخاب مدل دوبعدی محورمتقارن یا سه‌بعدی با توجه به هندسه و شرایط واقعی آزمایش و ارائه دلیل انتخاب.
مستندسازی نحوه تعریف مقاومت حرارتی تماس در نرم‌افزار.
۴. مرحله دوم: اعتبارسنجی مدل (Validation)
در مقاله مرجع، دمای نمونه‌ها در شش موقعیت مشخص توسط ترموکوپل اندازه‌گیری شده است.

مجری موظف است:

محل دقیق شش ترموکوپل را مطابق مقاله در مدل تعریف کند.
دمای محاسبه‌شده در هر شش موقعیت را استخراج کند.
نتایج عددی را با داده‌های تجربی مقاله مقایسه کند.
اختلاف دمای دو طرف فصل مشترک و مقاومت حرارتی تماس را بررسی کند.
خطای نتایج را با معیارهای زیر گزارش کند:

Relative Error
Mean Absolute Error (MAE)
Root Mean Square Error (RMSE)
جدول مقایسه باید شامل دمای تجربی، دمای عددی، اختلاف دما و درصد خطا برای هر نقطه باشد.

نکته: معیار پذیرش خطا باید پیش از اجرای نهایی و با توجه به دقت داده‌های استخراج‌شده از مقاله، عدم قطعیت آزمایش و دقت مدل توافق شود. هدف، دستیابی به کمترین خطای علمی و قابل دفاع است، نه تنظیم غیرواقعی پارامترها برای رسیدن به خطای ظاهراً پایین.

۵. مرحله سوم: مطالعات پارامتریک
پس از تأیید مدل پایه و اعتبارسنجی، مطالعات پارامتریک زیر به‌عنوان گزینه‌های اولیه بررسی شوند. در هر مطالعه، سایر پارامترها ثابت نگه داشته شوند.

ردیف
پارامتر
مقادیر پیشنهادی
۱
ضخامت نمونه سیلیکونی
5، 10، 15 mm
۲
ضخامت نمونه آلومینایی
5، 10، 15 mm
۳
قطر نمونه‌ها
35، 45، 55 mm
۴
توان گرمایشی یا شار حرارتی ورودی
0.5، 1، 1.5 برابر مقدار مبنا
۵
دمای صفحه خنک‌کننده
5، 15، 30 °C
۶
دمای سمت گرم
مقادیر توافق‌شده در محدوده معتبر
مقادیر فوق اولیه هستند و پیش از اجرا باید با محدوده معتبر مدل و شرایط آزمایش تطبیق داده شوند. انتخاب نهایی دو یا سه پارامتر برای مطالعه تفصیلی با توافق کارفرما انجام می‌شود.

۶. خروجی‌های مورد انتظار
مجری باید موارد زیر را تحویل دهد:

فایل اصلی و قابل ویرایش پروژه ANSYS Workbench.
فایل هندسه و مشخصات مش.
مشخصات مواد و شرایط مرزی اعمال‌شده.
تصاویر کانتور توزیع دما.
نمودار توزیع دما در راستای محور نمونه‌ها.
نمودار و جدول مقایسه نتایج تجربی و عددی.
محاسبات و جداول خطای Validation.
نتایج مطالعه استقلال از مش.
نمودارها و جداول مطالعات پارامتریک.
فایل Excel داده‌های استخراج‌شده و نتایج محاسباتی.
گزارش فنی شامل روش حل، فرضیات، تنظیمات و نتایج.
۷. الزامات کنترل کیفیت و تحویل
تمام مراحل باید در فایل اصلی ANSYS قابل مشاهده و بازبینی باشند.
نتایج نباید صرفاً به‌صورت تصاویر کانتور ارائه شوند.
محل شش ترموکوپل و مقادیر دمای استخراج‌شده باید مشخص باشند.
نحوه تعریف مقاومت حرارتی تماس باید شفاف و مستند باشد.
استقلال نتایج از اندازه مش (Mesh Independence Study) باید بررسی شود.
هرگونه فرض، ساده‌سازی یا اختلاف با شرایط آزمایش مقاله باید پیش از اجرا اعلام شود.
پس از تأیید مرحله Validation توسط کارفرما، مرحله مطالعات پارامتریک آغاز شود.
تحویل فایل‌های قابل ویرایش و نتایج خام برای تأیید نهایی الزامی است.

این پروژه شامل 1 فایل مهم است، لطفا قبل از ارسال پیشنهاد حتما نسبت به بررسی این فایل اقدام فرمایید.

مهارت ها و تخصص های مورد نیاز

---

---