導(dǎo)讀

電子產(chǎn)品熱設(shè)計，其目的包括但不限于：

保護內(nèi)部電子元器件（例如芯片，電容等）；控制產(chǎn)品表面溫度不至于讓消費者有明顯的發(fā)燙感受；電池安全問題...

可見，電子產(chǎn)品的散熱設(shè)計對產(chǎn)品的質(zhì)量，良好的消費體驗甚至安全性都有至關(guān)重要的影響, 對于熱量這種看不見摸不著（僅憑感知）的東西，在設(shè)計環(huán)節(jié)，數(shù)值仿真的應(yīng)用至關(guān)重要。

物理課本上的熱傳遞路徑

熱輻射和熱傳導(dǎo)主要和材料屬性和結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)，在材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計難以滿足散熱要求的情況下，我們還可以改變對流方式。根據(jù)對流的方式不同，我們可以將散熱設(shè)計分為兩種：被動散熱與主動散熱。

被動散熱（自然對流）

即自然對流的方式散熱，主要應(yīng)用在對溫度控制要求較低的電子元器件、或者熱流密度相對較低的低功耗器材以及部件之中。當(dāng)產(chǎn)品的熱流密度很大，通過自然對流的方式不足以解決散熱問題時可以通過主動散熱的方式來解決。

主動散熱（強制風(fēng)冷）

即強制對流的方式散熱，具體來說是就是采用風(fēng)扇進行強制風(fēng)冷。相較于被動散熱，主動散熱的優(yōu)點是散熱效果大大提升，缺點是增加成本，產(chǎn)生了噪音問題，以及風(fēng)扇性能在長期使用下存在不穩(wěn)定的風(fēng)險。

（左）軸流風(fēng)扇             （右）離心風(fēng)扇

散熱問題的仿真，本質(zhì)上來說是對熱流固耦合（FSI）問題的求解，并且往往涉及整機結(jié)構(gòu)，尤其對于強制風(fēng)冷而言，因其涉及到湍流模型，更是復(fù)雜。這也無可避免使得設(shè)計師對精度有所擔(dān)憂，盡管如此，在工程應(yīng)用中，合理運用好仿真工具，仍然是十分必要的設(shè)計手段。

軟件的選擇

在電子產(chǎn)品散熱領(lǐng)域，應(yīng)用最廣泛的是西門子的FLOTHERM軟件，此外，ANSYS的ICEPAK應(yīng)用也很廣泛。具體采用什么軟件，主要看自身的需求。

我們使用的是Altair的Acusolve求解器+Simlab前處理，選用Acusolve一方面是考慮到前處理可以和結(jié)構(gòu)仿真共用Simlab(或者Hypermesh), 就不需要額外投入時間和金錢學(xué)習(xí)和購買新的軟件。

另一方面，我們的產(chǎn)品有許多曲線造型，相比之下，F(xiàn)LOTHERM和ICEPCK更適合方方正正的產(chǎn)品（例如電腦機箱等，PCB板）等。Acusolve采用有限單元法而不是有限體積法來求解流體問題，可以讓我們的仿真模型更精確的逼近產(chǎn)品的曲線造型。

風(fēng)扇的設(shè)定

在仿真中設(shè)定風(fēng)扇，比較常見的方式如下（穩(wěn)態(tài)計算）：

PQ曲線：

該方式的設(shè)置比較簡單也比較容易收斂，但是畢竟是集總的方式，沒法考慮太多的扇葉造成空氣擾動的細(xì)節(jié)，因此精度也較差。但好處是風(fēng)扇的PQ曲線一般可以從風(fēng)扇廠家官網(wǎng)找到，計算效率也較高。

MRF（moving reference frame）：

與PQ曲線方法相比，MRF方法建立了較為詳細(xì)的葉片模型，因此可以提供更高的計算精度，但缺點是獲取葉片的幾何可能有一定困難，需要聯(lián)系廠家才有可能拿到，計算成本也提高了。并且也僅適合處理轉(zhuǎn)子與定子之間的相互作用較弱的場合（當(dāng)這種作用不可以忽略的情況下，需要使用滑移網(wǎng)格技術(shù)，進行瞬態(tài)計算）。 

以下我們采用MRF方法，做了一個采用了軸流風(fēng)扇的強制風(fēng)冷散熱的案例。使用的是Altair Simlab 前處理+Acusolve求解器。

模型文件下載自GrabCAD (https://grabcad.com )， 這個模型中，包含了散熱片、風(fēng)扇、簡化的芯片模型、導(dǎo)熱墊片、以及PCB。我們對原始模型做了一些幾何上的簡化。在這個仿真中，考慮到計算效率，關(guān)閉了熱輻射效應(yīng)（對于強制對流問題，輻射的影響較小，但會顯著影響計算時間，對于自然對流問題，輻射的影響則一般不能忽略）。

渲染圖+剖面圖

（模型為GrabCAD上公開資源，非實際產(chǎn)品）

有限元模型設(shè)定如下：

穩(wěn)態(tài)，湍流模型選擇Spalart-Allmaras, 考慮流動，求解溫度場（即關(guān)閉temperature flow的選項），對扇葉邊界層進行了網(wǎng)格加密。流體空氣為常物性的參數(shù)。散熱器材料設(shè)定為擠壓鋁，導(dǎo)熱系數(shù)175w/m*k，熱源（芯片）的功率設(shè)置為4w, 散熱墊片的導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為3w/m*k。

空氣進出口選擇壓力邊界條件，四周的空氣選擇wall邊界條件來模型固定的環(huán)境溫度（25℃）。

劃分了較大的流體區(qū)域，以減弱邊界影響

MRF風(fēng)扇模型（包含扇葉的完整幾何）

有限元模型

收斂曲線

通過這個小例子，可以看到Altair Simlab無論是做結(jié)構(gòu)的前處理（尤其是電子產(chǎn)品的跌落，可以使用很短的時間就可以劃分出高質(zhì)量的網(wǎng)格）還是散熱問題的前處理（對于自家的Acusolve流體求解器也支持的很好，無論是生成邊界層還是對于網(wǎng)格的局部的加密都擁有十分完善強大的功能）都十分方便，大大節(jié)約了仿真工程師在畫網(wǎng)格上浪費的時間。也讓結(jié)構(gòu)工程師同時可以做熱流固耦合分析（比如我們的卷王汪工）。

Acusolve的計算結(jié)果既可以在Simlab中直接快速查看，也可以導(dǎo)入到HyperWorks CFD， CFD Post 中，以支持更全面的后處理功能

本文中，對電子產(chǎn)品散熱仿真由淺入深，做了一個快速的介紹。通過本文中的小例子，如果對軟件有一定的熟悉，相信你已經(jīng)可以掌握基本的設(shè)置。

更多仿真知識與案例，歡迎關(guān)注本公眾號“水木人CAE”， 持續(xù)推出。