行業：高性能塑料

    挑戰：獲取精準的仿真結果與散熱預 測成為帝斯曼 LED 照明應用 的燃眉之急。

    Altair 解決方案：利用 HyperWorks CAE 套件 中的 AcuSolve 對塑料散熱器 開發過程中遇到的各種熱量與 流動問題進行建模。

    優點：精確預測熱性能； 優化特定應用中散熱器的幾何形狀；與測量結果吻合良好；通過更短、更流程化的開發周期將帝斯曼高性能塑料的利用率推向新高

    背景介紹 

    帝斯曼 – 繽紛科技，美好生活?，荷蘭皇家帝斯曼集團是一家全球化的、 以科技為立足之本，活躍于健康、營養和材料領域的公司。帝斯曼擁有生命科 學和材料科學領域的專長，并運用兩者的獨特結合不斷推動經濟繁榮、環境改 善和社會進步，為所有利益相關方創造可持續的價值。帝斯曼服務于食品和保 健品、個人護理、飼料、藥品、醫療設備、汽車、涂料與油漆、電子電氣、生 命防護、替代能源以及生物基材料等終端市場，在全球范圍內創造可持續的解 決方案，增強和保證產品功效，提高產品性能。帝斯曼在全球的 23,500 名員 工為公司創造了約 90 億歐元的年銷售額。公司已在紐約泛歐交易所 (NYSE  Euronext) 上市。了解更多詳細信息，可訪問 www.dsm.com。

    挑戰 

    帝曼斯工程塑料是高性能塑料的全球供應商，在多種工程應用中均占有一 席之地。LED 照明散熱器便是個中典范，可將 LED 在照明時產生的熱量散發 到環境中。最初 LED 照明中使用的是鋁制散熱器。雖然鋁是熱的良導體，但在 此類應用中卻有其自身的局限性。除鋁壓鑄件的進一步加工成本較高外，鋁在 設計的自由性、可回收性以及重量方面的表現也都不盡如人意。而帝斯曼工程 塑料研發的高導熱聚合物則可以克服鋁制散熱器的上述種種缺陷。作為擁有雄 厚 CAE 設計實力的材料供應商，帝斯曼充分發揮其在材料領域的獨有優勢，可 針對照明行業量身打造基于塑料的散熱器解決方案。帝斯曼設計部門與全球各 地的軟件供應商精誠合作，始終走在 CAE 工具領域的最前沿，從而為客戶的產 品開發提供強大支持。為實現聚合物散熱器的最優設計，并對熱性能進行預測， 帝斯曼必須對 LED 散熱器的兩種散熱機理——自然對流和輻射冷卻進行建模。

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    “我們對所得到的結果非常滿意，也正因為我們的分析取得了良好的結果，我們的開發過程才得以從實際測 試轉向虛擬開發，削減了所需樣品數量，縮短了開發周期，進而大大節約了開發成本。” 

                                                                                                          Adnan Hasanovic 

                                                                                                         帝斯曼 Ahead B.V.研究員/設計工程師

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    解決方案

                 圖 1：裝有一個 PCB 和三個 LED 的 AcuSolve 散熱器模型及溫度分布情況

    最近，帝斯曼在產品開發流程中應用了 Altair 公司 AcuSolve 軟件。 AcuSolve 是一款通用的 CFD 軟件，能夠針 對多種熱量與流動問題進行建模。當前，帝斯曼正使用 AcuSolve 對自然對流和輻射冷卻進行建模。為保障 LED 燈 的設計使用壽命，燈中的電子元件在工作時所達到的最高溫度必須處于某一特定值以下，因此，對 LED 進行冷卻至 關重要。為評估聚合物散熱器的冷卻能力，在使用 AcuSolve 時也輔以其他實用 CAE 工具（如基于 CAD 的軟件）。 在以下使用案例概述中，您將了解到 AcuSolve 在塑料散熱器熱性能評估方面的預測能力。通過仿真結果與實際測量 溫度的對比，可以看到兩者吻合性良好。 為對散熱器向環境散熱的過程進行模型，必須要考慮到相關的熱傳遞機理。毋庸置疑，對流可以造成熱損失。但 需要注意的是，與強制對流不同，在很多自然對流現象中，向環境的輻射散熱損失往往不容忽視。此處提及的案例中， 輻射熱損失大約占總熱損失的三分之一。要對散熱器的熱損失進行精確建模，需要將自然對流與輻射均納入分析之中。 散熱器表面附近的空氣溫度要高于周圍環境的空氣溫度，故這兩處空氣的密度差導致了空氣流動，因此要對自然對流 熱損失進行建模，便需要使用特定工具將熱損失與散熱器周圍的空氣流動進行耦合。此外，由邊界層效應導致的空氣 滯留也需要考慮在內，尤其在散熱器的散熱片間距設計得較小時更需如此。AcuSolve 不僅可以對這些邊界層效應進 行三維建模，還可防止設計者將散熱器的間距設計得過小。在對散熱器進行冷卻分析時，還需要對輻射熱損失進行建 模。對于某些散熱片的設計，可能還會涉及相鄰散熱片之間的熱輻射，而有些設計則僅涉及散熱片對環境的熱輻射。 在第一種情況中，向環境的輻射散熱損失將受限，這對于冷卻設備來說并不是理想之選。毫無疑問，第二種情況更符 合要求，因為其散熱目標便是最大限度地將熱量散發（以輻射的方式）到周圍環境中。為實現這一目標，需要計算出 散熱器不同部分的輻射換熱因子。AcuSolve 通過半立方體算法即可算出這些輻射換熱因子。使用這種輻射換熱因子 方法的一大優勢便是，相對于非輻射的情況，輻射情況的計算速度得以大幅度增加。這樣，設計師便可以對散熱器的 設計進行優化，從而使向環境的輻射散熱損失達到最大化。AcuSolve 可以處理在該系統中發生的所有熱傳遞現象（傳 導、對流和輻射）。為測試 AcuSolve 對以自然對流和熱輻射形式向環境中散熱的過程進行建模的能力，專門設計并 制造了一臺散熱器。圖 1 所示為該塑料散熱器。在散熱器的底座上安裝有一個 PCB（綠色），其上設有三個 LED （紅色）。每個 LED 均相當于一個熱源，可產生 1.4 W 的熱量。為了對 PCB 和散熱器之間的接觸熱阻進行建模， 在 PCB 和散熱器之間涂有一層薄薄的導熱膏。建模時，散熱器周圍的空氣體積（淺藍色）的尺寸設定為 8H 和 8D，其中 D=散熱器直徑=46mm，而 H=散熱器高度=39mm。在建模過程中，假定環境溫度為 25 °C。利用與該體積對應 的體積式熱源來表示 LED，模擬熱量輸入，并在這些條件下計算穩態溫度分布。為捕捉自然對流效應，將對散熱器 周圍的熱流動與空氣流動的耦合進行分析。此外，還會使用 AcuSolve 計算輻射換熱因子并將其納入分析之中，以使 輻射熱損失的建模過程更為精準。圖 2 顯示了穩態溫度，同時還列出了局部溫度、局部特征以及實驗觀測溫度值。 圖 3 顯示了用于測量溫度分布的實驗設置以及各個溫度探針的位置，還顯示了所觀測溫度隨時間的變化情況。大約 1 小時后將達到穩態下的溫度分布。實驗過程中，環境溫度保持為 25 °C。

圖 2：對溫度分布的預測：由 AcuSolve 預測的穩態溫度分布。在特定位置結合所測量的溫度進行溫度預測

    結論 

    

圖 3：裝有一個 PCB 和三個 LED 的散熱器的實驗設置，及各個溫度探針的位置（左）。溫度隨時間的變化情況（右）

       “得益于 AcuSolve，我們可以精確預測應用于 LED 照明的散熱器的熱性能。我們對所得到的結果非常滿意，也 正因為我們的分析取得了良好的結果，我們的開發過程才得以從實際測試轉向虛擬開發，削減了所需樣品數量，縮短 了開發周期，進而大大節約了開發成本。因此，我們可以幫助客戶充分利用我們的高性能塑料。”帝斯曼 Ahead B.V.  的研究員/設計工程師 Adnan Hasanovic 說道，“經驗證，在 LED 照明應用中的散熱器的熱性能預測方面，AcuSolve 是一款不可多得的實用工具。”AcuSolve 不僅可以獲取定性的預測結果，對于不同位置的溫度絕對值也預測得相當 精確。這樣，針對特定應用中散熱器的幾何形狀進行精確設計與優化可謂是水到渠成。借助 AcuSolve 的前處理器 AcuConsole，使用模板生產新產品的網格變得快速而簡單。帝斯曼還針對一系列其他散熱器的幾何形狀進行了類似 分析，并對預測結果與實驗測量結果進行了比對。在這些案例中，兩者顯示了良好的吻合性。憑借這種方法，開發重 心即可轉移到虛擬樣品之上，減少了實物樣品的使用，節約了開發成本，進而使開發過程更流程化，最終使帝斯曼的 客戶可以更充分地利用高性能塑料。

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