▲ 圖1 熱量產(chǎn)生示意圖

電子設(shè)備是由大量的電子元件組成的，當(dāng)電子設(shè)備正常工作時(shí)，其輸入功率要高于輸出功率，高出這部分功率則轉(zhuǎn)化為熱量耗散掉，如果這些熱量不能順利地導(dǎo)出，就會產(chǎn)生內(nèi)部高溫，高溫會導(dǎo)致元器件失效，單個(gè)元器件失效會導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的失效。

圖2是美國空軍對導(dǎo)致電子設(shè)備失效的原因的調(diào)查，調(diào)查結(jié)果表明導(dǎo)致元器件失效的主要原因就是高溫。

▲ 圖2 美國空軍對導(dǎo)致電子設(shè)備失效的原因的調(diào)查

在電子行業(yè)，器件的環(huán)境溫度升高10 ℃時(shí)，往往失效率會增加一個(gè)數(shù)量級，這就是所謂的“10 ℃法則”。

每種器件失效前的平均時(shí)間是其所承受的應(yīng)力水平、熱應(yīng)力和化學(xué)結(jié)構(gòu)的綜合因素的統(tǒng)計(jì)函數(shù)。降低熱應(yīng)力能夠使失效率顯著地降低，見表1。

▲ 表1：高低溫時(shí)部分元器件失效率及比值

隨著軟件技術(shù)和計(jì)算機(jī)硬件的飛速發(fā)展，如今電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已進(jìn)入了面向并行工程的CAD／CAE／CAM時(shí)代，設(shè)計(jì)及評估人員都能夠依靠計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)更好的展開工作。ANSYS 在解決電子系統(tǒng)的系統(tǒng)級散熱設(shè)計(jì)方面有著最好的專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢，應(yīng)用專業(yè)的CFD計(jì)算軟件群，能夠在模型建模、快速的網(wǎng)格生成、強(qiáng)大的求解計(jì)算、完善的后處理等方面擁有獨(dú)特的優(yōu)勢。

 ▲ 基于ANSYS Fluent 的電子散熱問題分析基本工作流程

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(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，大幅提升CAE分析的模型處理質(zhì)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，

■ 考慮多個(gè)實(shí)體間的干涉與縫隙

■ 獲取固體之間的流場區(qū)域

■ 根據(jù)不同的情況進(jìn)行幾何分類（如風(fēng)扇區(qū)域、格柵區(qū)域等）

對于電子散熱仿真中紛繁復(fù)雜的幾何問題，SCDM可以結(jié)合自身特點(diǎn)，高效地完成幾何修復(fù)與幾何簡化的工作，從而使CAD設(shè)計(jì)與CAE仿真建立高速橋梁，完成仿真的第一步。

▲ 使用SCDM修復(fù)和簡化的電子器件幾何模型

▲  SCDM軟件快速獲取流體仿真區(qū)域

Workbench Meshing 是ANSYS旗下應(yīng)用最為廣泛的網(wǎng)格劃分工具，該軟件具備有多物理場網(wǎng)格劃分的功能，可以在流體、結(jié)構(gòu)、電磁、顯示動(dòng)力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)等物理場仿真的流程中，出色的完成對應(yīng)的功能，劃分區(qū)分各自求解器特征的有針對性的網(wǎng)格。

■ Workbench Meshing具備有簡單高效的工作流程；

■ 當(dāng)Workbench Meshing與SCDM配合使用，可以快速生成共節(jié)點(diǎn)的體網(wǎng)格；

■ Workbench Meshing 可以快速生成混合網(wǎng)格，提升計(jì)算效率和仿真精度。

▲ 固體區(qū)域表面網(wǎng)格

▲ 剖面網(wǎng)格顯示（共節(jié)點(diǎn)混合網(wǎng)格）

自然界中最為常見的四種熱交換現(xiàn)象：熱對流、熱傳導(dǎo)、熱輻射、相變換熱。這些熱交換的問題，都是可以通過Fluent 軟件進(jìn)行仿真計(jì)算的。

▲ 四種傳熱模型

通過之前幾何、網(wǎng)格兩個(gè)步驟，我們通常已經(jīng)得到了流體與固體的有限元網(wǎng)格，接下來，Fluent 通過有限體積法進(jìn)行詳細(xì)的三維計(jì)算求解，流體區(qū)域求解傳熱方程和流動(dòng)方程，固體區(qū)域僅求解能量方程。

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

▲ Fluent中求解熱傳導(dǎo)問題

▲ Fluent中求解熱對流問題

在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中，自然對流和強(qiáng)制對流通常都是同時(shí)存在的。兩者產(chǎn)生影響的相對大小，我們通常可以用修正的弗勞德數(shù)Fr（與1的大小關(guān)系）來確定。

ANSYS Fluent軟件具備計(jì)算自然對流與強(qiáng)制對流的功能，無論計(jì)算區(qū)域是封閉的空間還是開放的。當(dāng)然，F(xiàn)luent并沒有設(shè)計(jì)一個(gè)專門的選項(xiàng)來區(qū)分自然對流與強(qiáng)制對流，就如同上文中所介紹的，他們通常都是同時(shí)存在的，只是占據(jù)的比重不一致。

■ Ideal gas 理想氣體

■ Incompressible ideal gas  不可壓縮的理想氣體

■ Boussinesq  波斯尼克密度模型

▲ 封閉空間的自然對流模型

Fluent 可以通過多種模型計(jì)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(xué)厚度）的熱輻射問題，因?yàn)樗鼪]有考慮介質(zhì)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(qū)域的流體介質(zhì)幾乎都是空氣，而且空氣中的氧氣、氮?dú)獾入p原子分子對各個(gè)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(yōu)先選擇的熱輻射模型，它可以有效提升計(jì)算的精度，同時(shí)并不過大的增加計(jì)算的工作量。

▲ S2S 模型中視線因子計(jì)算方法

DO熱輻射模型在電子散熱仿真中，應(yīng)用的時(shí)機(jī)相對較少。對比S2S模型，DO模型的計(jì)算原理更加細(xì)致，可以考慮所有介質(zhì)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(zhǔn)確獲取）、計(jì)算時(shí)間較長，因此僅建議在一些復(fù)雜的散熱問題中使用（如：非灰體輻射、介質(zhì)中含多種氣體等）。

▲ DO模型中離散坐標(biāo)系的求解方法

■ 熱輻射問題中求解的輸運(yùn)方程：

■ 熱輻射模型使用的時(shí)機(jī)：

將輻射熱通量  

與對流及導(dǎo)熱的傳熱速率進(jìn)行對比，當(dāng)二者數(shù)量級相當(dāng)時(shí)，應(yīng)該考慮輻射效應(yīng)。

▲ 算例中是否考慮熱輻射結(jié)果對比

通過上圖可以發(fā)現(xiàn)：

■ 考慮熱輻射后，電子產(chǎn)品的平均溫度會降低。

■ 產(chǎn)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(shí)，這部分溫度為最低。

Fluent 可以計(jì)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。

Fluent 通過對固體計(jì)算區(qū)域添加能量源項(xiàng)的方式，來描述電子元器件的發(fā)熱情況，輸入的源項(xiàng)單位是W/m3。

▲ 電子元器件發(fā)熱

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

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

▲ 某型汽車新能源電池單個(gè)電芯發(fā)熱功率隨電芯溫度變化情況

▲ 單個(gè)電芯發(fā)熱功率隨電芯溫度變化UDF編程代碼（節(jié)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(shù)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(jù)問題的不同來進(jìn)行有針對性的仿真簡化，從而達(dá)到提高工作效率的目的。

在固體域求解能量方程，需要對網(wǎng)格區(qū)域劃分網(wǎng)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(jìn)行計(jì)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(jì)算得到。

■ 不足：

固體區(qū)域通常很薄，在其中劃分體網(wǎng)格會極大的增加網(wǎng)格的總數(shù)。

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

■ 不足：

只能考慮法向的熱傳導(dǎo)，不能計(jì)算切向熱交換。

與薄壁模型（Thin Wall）類似，殼導(dǎo)熱模型在方法二的基礎(chǔ)上打開選項(xiàng)Shell Conduction進(jìn)行設(shè)定，不同的地方是殼導(dǎo)熱可以計(jì)算熱量在切向與法向的傳遞，而且可以多層固體區(qū)域一起計(jì)算。

殼導(dǎo)熱模型在不增加網(wǎng)格數(shù)量的情況下，仍舊能夠相對準(zhǔn)確的計(jì)算壁面處的熱傳遞問題，可以認(rèn)為是電子散熱問題的首選。

■ 不足：

與某些模型連用時(shí)可能會有額外的限制（如：FMG初始化等）