在電子設備中，熱功率損失通常以熱能耗散的形式表現，而任何具有電阻的元件都是一個內部熱源（如圖1所示）。電子設備是由大量的電子元件組成的，當電子設備正常工作時，其輸入功率要高于輸出功率，高出這部分功率則轉化為熱量耗散掉，如果這些熱量不能順利地導出，就會產生內部高溫，高溫會導致元器件失效，單個元器件失效會導致整個設備的失效。

 

圖1 熱量產生示意圖

 

圖2是美國空軍對導致電子設備失效的原因的調查，調查結果表明導致元器件失效的主要原因就是高溫。

 

圖2 美國空軍對導致電子設備失效的原因的調查

 

在電子行業，器件的環境溫度升高10 ℃時，往往失效率會增加一個數量級，這就是所謂的“10 ℃法則”。

 

每種器件失效前的平均時間是其所承受的應力水平、熱應力和化學結構的綜合因素的統計函數。降低熱應力能夠使失效率顯著地降低，見表1。

 

表1 高低溫時部分元器件失效率及比值

隨著軟件技術和計算機硬件的飛速發展，如今電子產品的設計已進入了面向并行工程的CAD／CAE／CAM時代，設計及評估人員都能夠依靠計算機仿真技術更好的展開工作。

 

ANSYS 在解決電子系統的系統級散熱設計方面有著最好的專業技術優勢，應用專業的CFD計算軟件群，能夠在模型建模、快速的網格生成、強大的求解計算、完善的后處理等方面擁有獨特的優勢。

 

圖 基于ANSYS Fluent 的電子散熱問題分析基本工作流程

 

1、電子散熱仿真中的幾何處理（SCDM）

 

ANSYS SpaceClaim Direct Modeler（簡稱 SCDM）是基于直接建模思想的新一代3D建模和幾何處理軟件，可以提供給CAE分析工程師一種全新的CAD幾何模型的交互方式，從而顯著地縮短產品設計周期，大幅提升CAE分析的模型處理質量和效率。

 

SCDM 新一代3D建模和幾何處理軟件

 

對于電子散熱問題，通常工程師需要處理大量固體電子元器件的幾何模型，而且這些器件大多不是同一種材料，因此還要考慮多個實體間的干涉與縫隙；同時，工程師還需要獲取固體之間的流場區域，并根據不同的情況進行幾何分類（如風扇區域、格柵區域等）。

 

對于電子散熱仿真中紛繁復雜的幾何問題，SCDM可以結合自身特點，高效的完成幾何修復與幾何簡化的工作，從而使CAD設計與CAE仿真建立高速橋梁，完成仿真的第一步。

 

使用SCDM修復和簡化的電子器件幾何模型

 

SCDM軟件快速獲取流體仿真區域

 

2、電子散熱仿真中的網格工具（Workbench Meshing）

 

Workbench Meshing 是ANSYS旗下應用最為廣泛的網格劃分工具，該軟件具備有多物理場網格劃分的功能，可以在流體、結構、電磁、顯示動力學、水動力學等物理場仿真的流程中，出色的完成對應的功能，劃分區分各自求解器特征的有針對性的網格。

 

對于基于ANSYS Fluent 的電子散熱問題仿真，Workbench Meshing也是一個不錯的選擇，它可以針對流體仿真的問題進行高效準確的網格劃分。

 

1. Workbench Meshing具備有簡單高效的工作流程；

 

2. 當Workbench Meshing與SCDM配合使用，可以快速生成共節點的體網格；

 

3. Workbench Meshing 可以快速生成混合網格，提升計算效率和仿真精度。

 

固體區域表面網格

 

剖面網格顯示（共節點混合網格）

 

3、電子散熱仿真中的求解器（Fluent）

 

換熱模型

 

自然界中最為常見的四種熱交換現象：熱對流、熱傳導、熱輻射、相變換熱

 

四種傳熱模型

 

這些熱交換的問題，都是可以通過Fluent 軟件進行仿真計算的。

 

通過之前幾何、網格兩個步驟，我們通常已經得到了流體與固體的有限元網格，接下來，Fluent 通過有限體積法進行詳細的三維計算求解，流體區域求解傳熱方程和流動方程，固體區域僅求解能量方程。

 

Fluent 可以直接求解熱傳導問題和熱對流問題，只需要通常的網格劃分與邊界條件設定即可。

 

Fluent中求解熱傳導問題

 

Fluent中求解熱對流問題

 

自然對流與強制對流（Natural and Force Convection）

 

在大多數工業應用中，自然對流和強制對流通常都是同時存在的。兩者產生影響的相對大小，我們通常可以用修正的弗勞德數Fr（與1的大小關系）來確定。

 

 

ANSYS Fluent 軟件具備計算自然對流與強制對流的功能，無論計算區域是封閉的空間還是開放的。當然，Fluent并沒有設計一個專門的選項來區分自然對流與強制對流，就如同上文中所介紹的，他們通常都是同時存在的，只是占據的比重不一致。

 

通常情況下，流體仿真工程師通過對密度的模型和重力條件進行有區分的設定，來描述在流場中是否考慮自然對流；當然，在這之外可能還需要額外的一些參考條件設定來配合才能生效。Fluent 提供多種密度模型來描述自然對流，比較常用的有以下幾種：

 

l  Ideal gas 理想氣體

 

l  Incompressible ideal gas  不可壓縮的理想氣體

 

l  Boussinesq  波斯尼克密度模型

 

封閉空間的自然對流模型

 

熱輻射模型

 

Fluent 可以通過多種模型計算熱輻射。但其中適用于電子散熱仿真的模型，通常推薦使用S2S和DO兩種。

 

S2S原則上用于真空（零光學厚度）的熱輻射問題，因為它沒有考慮介質的散射、吸收等影響，屬于表面熱輻射問題。

 

按照通常的概念，電子散熱的區域的流體介質幾乎都是空氣，而且空氣中的氧氣、氮氣等雙原子分子對各個波長的熱輻射都近似“透明”（絕大部分熱輻射都會穿透雙原子分子）。因此，在電子散熱問題中，S2S是優先選擇的熱輻射模型，它可以有效提升計算的精度，同時并不過大的增加計算的工作量。

 

S2S 模型中視線因子計算方法

 

DO熱輻射模型在電子散熱仿真中，應用的時機相對較少。對比S2S模型，DO模型的計算原理更加細致，可以考慮所有介質對熱輻射的影響，是精度更高的物理模型。但由于其需要輸入的材料屬性過多（且難以準確獲?。?、計算時間較長，因此僅建議在一些復雜的散熱問題中使用（如：非灰體輻射、介質中含多種氣體等）。

 

DO模型中離散坐標系的求解方法

 

熱輻射問題中求解的輸運方程：

 

 

熱輻射模型使用的時機：

 

將輻射熱通量

 

 

與對流及導熱的傳熱速率進行對比，當二者數量級相當時，應該考慮輻射效應。

 

算例中是否考慮熱輻射結果對比

 

通過上圖可以發現：

 

1.考慮熱輻射后，電子產品的平均溫度會降低。

 

2.產品上方金屬箱蓋處受到熱輻射的影響，溫度較高；不考慮熱輻射時，這部分溫度為最低。

 

Fluent 可以計算相變換熱，但通常要與多相流或者UDF連用，屬于Fluent 仿真中相對高級的問題，難度也更大，通常在電子散熱問題中不會涉及。

 

電子器件發熱

 

Fluent 通過對固體計算區域添加能量源項的方式，來描述電子元器件的發熱情況，輸入的源項單位是W/m3。

 

電子元器件發熱

 

當然，對于不同的問題，各類電子元器件的發熱功率是不一樣的，大部分情況我們按照常數進行分析；但有些發熱功率是時間的函數，有些則是空間的函數，還有一些是其他變量（如溫度、濕度等）的函數。

 

為此，Fluent 可以通過分布文件（Profile）或UDF（用戶自定義函數）的方式解決上述問題，原則上可以輸入任意已知類型的發熱功率。

 

某型汽車新能源電池單個電芯發熱功率隨電芯溫度變化情況

 

單個電芯發熱功率隨電芯溫度變化UDF編程代碼（節選）

 

壁面邊界條件

 

固體壁面在電子散熱問題中往往扮演著重要的角色，因此，絕大多數的電子期間散熱問題都必須要處理固體壁面（wall）問題。

 

Fluent 中提供三種不同的壁面處理方式，能夠根據問題的不同來進行有針對性的仿真簡化，從而達到提高工作效率的目的。

 

l  方法一：對固體區域劃分網格

 

在固體域求解能量方程，需要對網格區域劃分網格。這是最精確方法，流體與固體交界處會使用耦合熱邊界條件進行計算，只需要工程師賦予正確的材料屬性，其他全部由Fluent自行計算得到。

 

不足：固體區域通常很薄，在其中劃分體網格會極大的增加網格的總數。

 

 

l  方法二：薄壁模型（Thin Wall） 

 

至劃分流體區域的網格，固體壁面等效為一個面邊界（boundary）。該方法可以有效解決薄固體區域帶來的網格增加問題，工作效率極高，僅需要在確定固體材料的基礎上輸入厚度值即可

 

不足：只能考慮法向的熱傳導，不能計算切向熱交換。

 

 

l  方法三：殼導熱模型 （Shell Conduction）

 

與薄壁模型（Thin Wall）類似，殼導熱模型在方法二的基礎上打開選項Shell Conduction進行設定，不同的地方是殼導熱可以計算熱量在切向與法向的傳遞，而且可以多層固體區域一起計算。

 

殼導熱模型的本質是增加一層虛擬網格，而且這一層網格是Fluent單獨額外計算的，工程師無法通過任何已知的命令來獲取網格的相關信息。

 

殼導熱模型在不增加網格數量的情況下，仍舊能夠相對準確的計算壁面處的熱傳遞問題，可以認為是電子散熱問題的首選。

 

不足：與某些模型連用時可能會有額外的限制（如：FMG初始化等）。