背景

戶外通信機柜廣泛應用于電力和通訊系統，其內部裝有工作模組、蓄電池等設備。由于機柜直接暴露于自然環境中受太陽輻射，加之機柜內部各元件工作產生熱量，容易造成柜內溫度過高，影響系統的可靠性。因此，熱設計是戶外通信機柜設計的重要環節。

數值仿真技術為復雜電子設備的散熱性能評估提供了全新的手段，可有效加速產品設計進程、降低成本。本案例使用具有自主知識產權的電子散熱軟件Simetherm對某戶外通信機柜進行熱仿真與優化設計。

仿真目標

戶外通信機柜在熱設計時須同時考慮兩點：一是內部器件的發熱量是否可以通過合理的路徑散出；二是機柜是否有良好的隔熱性能，在受太陽輻射與周圍高溫環境影響時避免過多的熱量導入。

本案例通過Simetherm建模仿真獲取機柜內部的流場及溫度分布，考察關鍵組件的溫升是否符合設計要求（注：風扇入口處溫度不超過65℃）；同時，針對以上兩點考量對機柜結構設計進行優化后，通過仿真評估結構改變對結果的影響。

仿真模型建立

Simetherm提供了立方體、機箱、PCB板、流動阻尼、體積熱源、風扇等智能建模宏（Flex Part），支持搭積木式的快速建模，并對模型中的組件賦值材料、熱屬性等信息。本案例采用以下幾種方案對戶外通信機柜進行建模：

方案1（基線）：原結構，包含外殼、柜門、柜頂以及內部的電池、支架隔板、風扇和工作模組。各部件的材料、發熱量等屬性列于下表：

注：由于工作模組包含多塊擋板、PCB板及之上的電阻、電容、電感等元件，如果將這些部件全部詳細建模求解將耗費較長時間，因此參考文獻[1]中的處理方式，只保留擋板和PCB板的幾何構體，而將PCB板上其他元件的產熱量用體熱源來替代、對流動的影響用流動阻尼來替代。

模型結構如下圖所示：

方案2：在方案1的基礎上增加換熱器。換熱器一側緊貼柜門，上布兩個鼓風機，通過擋板設置流道，實現內外部空氣的對流；換熱器在模型中的位置結構如下圖紅色區域所示：

方案3：如下圖所示，在方案2（左）的基礎上，方案3（右）將風扇更加靠近工作模組。

方案4：在方案2 的基礎上，在機柜頂部增加隔熱泡棉，如下圖紅色位置所示。泡棉采用聚四氟乙烯塑料（PTFE），導熱系數低（0.25 W/(m·K)），可有效起到隔熱作用。

方案5：在方案2的基礎上，機柜頂部加涂隔熱漆。假設隔熱漆可將柜頂表面對太陽輻射的吸收率從1降至0.1。

以上各方案均在風扇入口處和工作單元上部正中設置監控點，分別命名為Fan Inlet和Enclosure Top，用于判斷工作溫度是否符合設計要求。

計算條件設定

案例考慮較極端的環境情況，假設環境溫度為45℃，關于太陽輻射的設置可參考下圖，Simetherm會根據設置的地理位置和時刻自動計算出太陽輻射角度和輻射強度。

計算結果

Simetherm提供了豐富的結果可視化和后處理工具，以方案2為例，機柜中心切面處的溫度切片、流線圖展示如下。各方案計算結果，監控點溫度匯總如下：

各方案計算結果，監控點溫度匯總如下：

（1）設計要求機柜內部風扇入口的溫度不應超過65 ℃，如果不加換熱裝置（方案1）僅靠內部風扇無法達到設計要求，因此需要加入換熱器，增強機箱內部空氣對流，提高散熱效率，加入散熱器后（方案2），可以達到要求的設計溫度；

（2）減小風扇與工作模組的距離（方案3相比方案2）對溫度控制改善不明顯，初步判斷是由于在方案2中風扇與工作模組的距離本身已較近且其間無其他器件遮擋，風壓損失并非是影響模組散熱的主要因素；

（3）方案4在機柜頂部增加了隔熱泡棉，方案5在柜頂加涂隔熱漆。兩方案相比方案2改善均不大，說明本案例中工作模組的溫控挑戰主要源于自發熱量的散出，太陽輻射對關鍵元器件的溫升影響較小；

（4）下圖展示了方案2（左）和方案5（右）機柜頂部的溫度云圖，可以看出，加涂隔熱漆雖然無法對內部元器件的工作溫度產生明顯影響，但卻可顯著降低機柜頂部本身的溫度。

總結

本案例使用自主電子散熱軟件Simetherm對戶外通信機柜進行了熱仿真，軟件支持模塊化、參數化建模以及屬性設置，可快速建立仿真模型。同時支持不同求解條件設置、計算和后處理。可作為專業、高效的CAE軟件進行熱設計，降低研發成本。

對戶外機柜的仿真結果顯示，加入換熱器可大幅降低機柜內溫度，確保元件的工作溫度不超過設計要求，而改變風扇位置、加裝隔熱棉等方案對結果改善不大；機柜頂部加涂隔熱漆雖然同樣無法有效降低機柜內部溫度，但卻可以減小太陽輻射吸收率，從而使柜頂本身的溫度降低。

關于云道智造和Simetherm

北京云道智造科技有限公司成立于2014年，是國際上Democratizing CAE（仿真大眾化）理念與技術的先行者，致力于構建工業互聯網時代的科學計算中心，實現仿真軟件自主化和科學計算大眾化。Simetherm是云道智造自主研發的、具有自主知識產權的電子散熱專用軟件，其內置電子產品專用零部件模型庫，支持用戶通過“搭積木”的方式快速建立電子系統的熱分析模型，并利用成熟穩定的算法計算流動與傳熱問題，實現對電子系統的熱可靠性分析。Simetherm可成熟應用在通訊制造業、電子元件制造業、軍工以及航空航天等工業中。在產品設計初期，工程師能夠以更加智能的方式創建仿真模型，對系統設計方案進行快速評估，識別潛在設計風險。

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