一、背景介紹

熱設計就是通過合理的散熱方式保證良好的熱環境，確保電子設備可靠的工作。隨著電子技術的迅速發展，電子設備的結構越來越復雜，且越來越趨于小型化，散熱問題成為了影響設備可靠性的重要因素。據統計，電子設備有超過一半的故障是由過熱引起的，并且故障率會隨溫度升高成指數式增長。為了有效避免電子設備機箱內溫度過高，影響電子器件正常工作，在結構設計時就需要考慮散熱。傳統方法是根據指標要求和工程經驗設計出樣品，做出樣機后用環境試驗測試，根據測試發現的問題進行設計改進，不斷循環得到合格產品，其研制周期和成本都普遍較高。

圖1 典型電子設備機箱結構（圖片來自網絡）

機箱機柜裝配了大量電控組件，這些組件在使用過程中散發大量熱量，如果不及時有效地將這些熱量散發到環境中，將導致設備內元器件或部件溫度過高，影響設備運行性能，甚至引發器件損壞，降低整體設備的穩定性和壽命。目前電子設備的散熱方式可分為自然散熱、風冷散熱、液冷散熱、熱電制冷和熱管冷卻等。

風冷散熱一般指采用風扇、空調等設備對機箱機柜進行散熱，其主要特點：

（1）風冷系統簡單可靠、安裝方便、故障率低，在北方部分城市的冬季還可以利用自然冷源對機柜進行散熱；

（2）風冷散熱的本質是將設備產生的熱量轉移到環境中，成本遠低于其他散熱方式；

（3）散熱效率相對較低。風冷散熱通過機箱內散熱器及外表面對機箱內電子設備散熱，散熱效率較低；

（4）散熱風扇噪聲較大，影響使用者體驗。

圖2 典型風冷系統結構圖（圖片來自網絡）

液冷冷卻通常是指利用液體冷卻介質對機柜進行冷卻，液冷冷卻系統通常包括直接水冷系統、水冷背板系統和環路熱管系統等，其主要特點：

（1）散熱效率高。液冷散熱功率可達200 W/cm2，是風冷散熱的20 倍；

（2）噪音低。液冷系統一般通過液冷器中循環流動的冷卻液帶走熱量，在熱源端不會引入額外噪聲；液冷系統的主要噪聲源為水泵，通過選取低噪音水泵配合集中隔音處理，可很好地降低整體系統的噪聲；

（3）液冷冷卻主要存在安全風險高、易污染、安裝復雜且成本高等問題，采用水冷柜冷卻方式時，要注意防水漏水，一旦漏水會對機箱設備造成嚴重影響。

圖3 典型液冷機箱結構圖（圖片來自網絡）

散熱方式多種多樣，產品設計研發團隊需要根據實際情況綜合考慮，選擇合適的方式。另外，現代數值仿真模擬技術為復雜電子機箱設備的散熱性能評估提供了全新的手段，可有效降低傳統的從樣品試驗到設備優化方法帶來的時間周期和經濟成本。本文以風冷散熱方案為例，采用數值模擬的方式，在各類機箱設計或實際運行過程中對其內部不同結構方式、不同流體控制方式、材料傳熱性能、運行工況及太陽輻射等熱影響因素進行全面模擬，通過對機箱內外部熱量傳播方式的分析和溫度分布及速度場的仿真計算，優化機箱內冷卻風道設計，加快散熱速度，降低內部溫升，提高設備的可靠性。

二、散熱仿真解決方案

基于Simdroid電子散熱模塊，可以實現對各類戶外或室內電子機箱機柜柜體結構及內部電子設備的全三維建模與散熱特性仿真分析計算，并通過豐富的可視化后處理技術，對計算結果進行全面直觀的展示。

采用Simdroid電子散熱模塊實施電子機箱機柜熱仿真分析的優勢體現在：

（1）豐富的智能元件庫及多樣化定形定位操作可實現快速建模。軟件自帶的智能元件庫包含多系列風扇、散熱片、芯片、熱阻、體熱源、面熱源、電路板及多孔板等電子機柜熱分析常用要素，可通過界面拖拽或數據操作便捷完成各零部件的形狀和位置確定，同時支持元件庫的自定義拓展。

（2）類型豐富及可自定義拓展的材料數據庫，便于用戶直接加載材料物性為元件賦值。

（3）跨尺度結構的網格劃分。軟件基于非結構化的笛卡爾網格，可快速完成復雜三維平面模型與復雜三維曲面模型的正六面體網格剖分，自動處理模型的重疊或覆蓋，針對不同尺度元件可實施各向異性的局部加密操作，更適合機柜內不同尺度元件細節特征的網格剖分需求。

（4）結構熱與流體耦合技術及豐富的熱仿真分析邊界條件。軟件具備流體及結構熱物理場耦合計算能力，支持多種方式的熱源及壁面換熱條件定義，可進行獨立的固體域傳熱分析或流體結構共軛傳熱分析計算。

（5）豐富的輻射模型。軟件包含太陽輻射及豐富的熱輻射模型，滿足戶內戶外設備從內部到外部多樣化傳熱方式的全面模擬。

（6）面向設計需求的結果呈現。多元化的后處理技術支持圖片、曲線、動畫、數據等形式輸出計算結果，以及同一場景下多分析變量的同步顯示。

（7）批處理功能可對箱體和內部元件的幾何、熱特性以及其他邊界進行參數化設置，批量計算，從而加快工程師的熱設計迭代工作。 

圖4 熱設計示意圖

1、仿真流程搭建

1）幾何建模。建立電子設備機箱計算模型。

圖 5 電子機箱建模

2）材料參數設定。為空氣、芯片和PCB板等定義材料屬性。 

圖 6 材料參數設定

3）流場與熱邊界條件設置。設置風扇參數、芯片的體熱屬性等。

圖7 流場與熱邊界條件設置

4）求解參數設置。對湍流模型、輻射模型、環境參數等進行求解設置。

圖 8 求解參數設置定義

5）網格劃分。采用非結構網格六面體單元對流體部分與固體部分模型進行離散化。

圖 9 網格劃分

2、仿真結果查看

分別查看溫度云圖、速度云圖和速度矢量分布，根據對仿真結果的分析，優化熱設計方案。

圖10 溫度分布云圖

圖11 多截面場變量分布云圖

圖12 速度流線

圖13 機箱內局部速度矢量

圖15 結果自動統計與導出

三、電子散熱仿真的應用

近年來，數值仿真技術結合電子產品行業熱設計經驗，對產品中的各元件進行參數化、模塊化建模，進行快速高效的熱分析，已產生大規模應用于電子消費品、機房等場景的熱仿真分析軟件，大大降低了產品研發設計的成本，幾乎成為了熱設計行業必備的研發工具。同時，由于實驗測試僅能監控有限點位，而仿真軟件則可以監控產品內任意位置在任意時刻的物理量變化情況，因而可以更全面地了解產品的物理量變化情況，使設計更加高效便捷。

四、關于Simdroid電子散熱模塊

Simdroid電子散熱模塊是一款針對電子器件和設備的專用熱仿真軟件，由北京云道智造科技有限公司獨立開發，具有自主知識產權。軟件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。電子散熱分析模塊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。

電子散熱模塊的前處理功能具備電子設備的智能原件模型（包括：立方體、斜面、平面流動阻尼、平面（可建孔）、機箱/薄壁機箱、熱源、孔、組合體、平面熱源、圓柱體、電路板、軸流風扇、棱柱、芯片、平面風扇、管道、散熱器、開口流動、離心風扇、流動阻尼、鼓風機、空調、半導體制冷器、平面區域、回風面、監控點、多孔板、出風面、體積區域、雙熱阻封裝模型、熱網絡模型），能夠快速準確地完成各種電子散熱場景的建模。同時，前處理具備基礎幾何模型、典型電子器件模型、以及基于元件熱源特性和阻尼特性的簡化模型，用戶可在CAD模型上添加熱源和熱邊界，實現復雜設備中的流動傳熱分析。軟件具備主流CAD軟件生成的復雜幾何模型導入接口，可利用ECXML文件導入FloTHERM或Icepak軟件的幾何數據。

電子散熱模塊具備非結構化六面體網格剖分功能，支持數億量級網格單元數量。軟件能夠采用非連續的多面體網格剖分技術實現cutcell網格；支持局部加密網格和設置邊界層網格；具備半自動網格剖分技術，自動識別并調整固體邊界網格密度；支持網格統計與網格質量檢測。

電子散熱模塊具備層流與湍流求解功能，湍流模型具備k-e、k-omega（SST）、增強型與代數湍流模型，可進行穩態與瞬態散熱分析。軟件能夠計算熱傳導、自然對流、液冷與強迫風冷、熱輻射與太陽輻射問題，可處理多種不同材料的固體間熱傳導；求解器可支持自動添加初始場，具備物理量監測點、檢測區域與計算控制等通用的求解參數設置。

電子散熱模塊具備物理量的切片、云圖、等值面、流線形式的可視化后處理功能，可統計所有元件的溫度、傳熱量和流量數據；支持所有智能模型的溫度、導熱、對流、輻射傳熱量、流量等物理數據的讀取，并可導出為Excel 文件。

軟件支持主流操作系統，例如Windows7、Windows10系列版本和Linux版本（如麒麟、鯤鵬）等；支持國產硬件系統，適配X86和ARM硬件架構。申請試用Simdroid電子散熱模塊：https://www.simapps.com/v2/tool/electronic-cooling

五、關于Simdroid

Simdroid（中文名“伏圖”）是云道智造自主研發的通用多物理場仿真PaaS平臺，具備自主可控的隱式結構、顯式動力學、流體、熱、低頻電磁、高頻電磁、多體動力學等通用求解器，支持多物理場耦合仿真。在統一友好的環境中為仿真工作者提供前處理、求解分析和后處理工具。同時，作為仿真PaaS平臺，其內置的APP開發器支持用戶以無代碼化的方式便捷封裝參數化仿真模型及仿真流程，將仿真知識、專家經驗轉化為可復用的仿真APP。了解更多及申請Simdroid試用：https://www.simapps.com/v2/tool/simdroid