電子CFD
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-07-23
電子CFD的視頻教程
Autodesk CFD在電子散熱領(lǐng)域的應(yīng)用與技巧
Autodesk在2011年收購(gòu)了CFDesign之后，將其改名為Autodesk CFD。本課程為用Autodesk CFD在電子散熱領(lǐng)域的一些設(shè)置技巧，前5分鐘為軟件功能介紹，后面為具體干貨。這些技巧不僅限于Autodesk CFD，而是對(duì)流體仿真軟件的使用都有通用的借鑒意義。本內(nèi)容屬于官方正經(jīng)錄制，以后打算補(bǔ)錄一些簡(jiǎn)短的案例操作，風(fēng)格會(huì)輕松一些。
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電子CFD的實(shí)例教程
為此，我們提出了降階模型（ROM）的工作思路，將本應(yīng)數(shù)十分鐘甚至上百小時(shí)的CFD仿真流程簡(jiǎn)化，進(jìn)化為秒級(jí)（甚至毫秒級(jí)別）的響應(yīng)效率，從而為數(shù)字孿生技術(shù)提供高效實(shí)時(shí)的虛擬映射結(jié)果。
圖1.三維CFD降階模型技術(shù)路線圖
電子設(shè)備散熱模擬中降階模型的技術(shù)路線
電機(jī)中的定子電磁噪聲主要受兩方面的因素影響，電磁激振力和相應(yīng)激振力引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)及聲輻射，以下對(duì)引起噪聲的定子電磁力的解析表達(dá)及相應(yīng)的振動(dòng)和聲輻射的研究情況進(jìn)行綜述。
依據(jù)圖1中的技術(shù)路線，首先將液冷設(shè)備的三維CAD模型進(jìn)行修復(fù)和簡(jiǎn)化，隨后抽取流體區(qū)域并設(shè)定邊界命名。這一部分前處理工作與常見(jiàn)的CFD電子散熱仿真沒(méi)有任何區(qū)別。值得一提的是，靜態(tài)降階模型（Dynamic ROM）也可以使用CAD模型特征（如零件尺寸、布局、陣列數(shù)量等）作為初始輸入?yún)?shù)，但是會(huì)增加計(jì)算的規(guī)模，不做討論。
圖2-1 液冷板的幾何模型
圖2-2 液冷板的網(wǎng)格情況
隨后劃分網(wǎng)格并導(dǎo)入到Fluent中進(jìn)行邊界條件與物理模型設(shè)定。目前的ANSYS CFD靜態(tài)三維降階模型只能通過(guò)單獨(dú)打開(kāi)的Fluent軟件來(lái)構(gòu)建訓(xùn)練數(shù)據(jù)，因此還不支持通過(guò)Workbench進(jìn)行集成仿真分析。
訓(xùn)練數(shù)據(jù)的生成方法
設(shè)定好Fluent計(jì)算案例后，我們需要通過(guò)新增的ROM技術(shù)來(lái)完成訓(xùn)練數(shù)據(jù)的選擇和生成。主要需要以下三個(gè)步驟：
①選擇輸入變量，此部分內(nèi)容必須從已有的自定義參數(shù)中選擇。
②選擇輸出變量，選擇輸出的場(chǎng)數(shù)據(jù)，分別選擇對(duì)應(yīng)的邊界名稱（面邊界或計(jì)算域均可）和變量。
③輸入訓(xùn)練數(shù)據(jù)生成點(diǎn)，需要分別指定每個(gè)工況下，所有輸入?yún)?shù)的取值，以及迭代步數(shù)等內(nèi)容。
展開(kāi) 圖1三維CFD降階模型技術(shù)路線圖
電子設(shè)備散熱模擬中降階模型的技術(shù)路線
電機(jī)中的定子電磁噪聲主要受兩方面的因素影響，電磁激振力和相應(yīng)激振力引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)及聲輻射，以下對(duì)引起噪聲的定子電磁力的解析表達(dá)及相應(yīng)的振動(dòng)和聲輻射的研究情況進(jìn)行綜述。
依據(jù)圖1中的技術(shù)路線，首先將液冷設(shè)備的三維CAD模型進(jìn)行修復(fù)和簡(jiǎn)化，隨后抽取流體區(qū)域并設(shè)定邊界命名。這一部分前處理工作與常見(jiàn)的CFD電子散熱仿真沒(méi)有任何區(qū)別。值得一提的是，靜態(tài)降階模型（Dynamic ROM）也可以使用CAD模型特征（如零件尺寸、布局、陣列數(shù)量等）作為初始輸入?yún)?shù)，但是會(huì)增加計(jì)算的規(guī)模，不做討論。
圖2 液冷板的幾何模型與網(wǎng)格情況
隨后劃分網(wǎng)格并導(dǎo)入到Fluent中進(jìn)行邊界條件與物理模型設(shè)定。目前的ANSYS CFD靜態(tài)三維降階模型只能通過(guò)單獨(dú)打開(kāi)的Fluent軟件來(lái)構(gòu)建訓(xùn)練數(shù)據(jù)，因此還不支持通過(guò)Workbench進(jìn)行集成仿真分析。
訓(xùn)練數(shù)據(jù)的生成方法
設(shè)定好Fluent計(jì)算案例后，我們需要通過(guò)新增的ROM技術(shù)來(lái)完成訓(xùn)練數(shù)據(jù)的選擇和生成。主要需要以下三個(gè)步驟：
①選擇輸入變量，此部分內(nèi)容必須從已有的自定義參數(shù)中選擇。
②選擇輸出變量，選擇輸出的場(chǎng)數(shù)據(jù)，分別選擇對(duì)應(yīng)的邊界名稱（面邊界或計(jì)算域均可）和變量。
③輸入訓(xùn)練數(shù)據(jù)生成點(diǎn)，需要分別指定每個(gè)工況下，所有輸入?yún)?shù)的取值，以及迭代步數(shù)等內(nèi)容。需要注意的是，數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布需要通過(guò)ANSYS Design Xplorer或者Optislang來(lái)生成。
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在我們的生活中，電子電器產(chǎn)品無(wú)處不在。衣、食、住、行、用等生活的各個(gè)領(lǐng)域幾乎都和它們有著密不可分的關(guān)系。隨著科技飛速發(fā)展，現(xiàn)代電子產(chǎn)品更新速度極快。這對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)是狂歡，而對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)大概就是噩夢(mèng)了。
隨著電子電器產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)的功能越來(lái)越完備，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，其中要綜合考慮的設(shè)計(jì)因素眾多。最好的狀態(tài)就是在產(chǎn)品投入生產(chǎn)之前，設(shè)計(jì)者能夠科學(xué)合理地預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能。在硬件方面，CFD仿真給出的解決方案則能夠幫助設(shè)計(jì)者完成這一目標(biāo)。
總體來(lái)說(shuō)，CFD仿真可以在兩個(gè)方面為設(shè)計(jì)者提供科學(xué)計(jì)算后的數(shù)據(jù)，包括電子電器產(chǎn)品的散熱性能以及電磁兼容性能。
散熱性能
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，CFD做的事情就是能夠通過(guò)一系列的物理學(xué)公式直接計(jì)算出產(chǎn)品在不同工況條件下能夠達(dá)到的溫度。
隨著電于技術(shù)的不斷發(fā)展，組件的物理尺寸愈來(lái)愈小，組裝密度也隨之增加，高熱密度的形成成了一股不可抗拒的發(fā)展趨勢(shì)，由于高溫將會(huì)對(duì)子元器件的性能產(chǎn)生有害的影響。譬如過(guò)高的溫度會(huì)危及半導(dǎo)體的結(jié)點(diǎn)。損傷電路的連接界面，增加導(dǎo)體的阻值和形成機(jī)械應(yīng)力損傷。因此確保發(fā)熱電子元器件所產(chǎn)生的熱量能夠及時(shí)排出，是系統(tǒng)組裝的一個(gè)重要方面。
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1 案例背景
電子機(jī)箱是承載電子設(shè)備的箱體，比如電腦主機(jī)。機(jī)箱內(nèi)電子元件工作會(huì)發(fā)熱，為了讓熱量及時(shí)排出，常用風(fēng)扇強(qiáng)迫外界空氣流經(jīng)機(jī)箱，進(jìn)行散熱。本仿真目的是計(jì)算電子元件發(fā)熱功率及進(jìn)風(fēng)量一定時(shí)，機(jī)箱內(nèi)的溫度分布情況，進(jìn)而輔助機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)。
本案例需要的輸入文件和參數(shù)信息如下表：
網(wǎng)格文件
Chassis.msh
物理模型
不可壓
湍流模型
SST k-omega
邊界條件
風(fēng)速：2m/s
功率熱源8個(gè)，共計(jì)31.5W
圖1 網(wǎng)格模型
2 網(wǎng)格處理
2.1新建工程
a. 啟動(dòng)AICFD 2024R1；
圖2 AICFD窗口
b. 選擇 文件> 新建，新建工程，選擇工程文件路徑，設(shè)置工程文件名，點(diǎn)擊“確定”。
圖3 新建工程
2.2網(wǎng)格導(dǎo)入
a. 單擊菜單欄 網(wǎng)格> 導(dǎo)入網(wǎng)格 ，這個(gè)模型包括機(jī)箱外殼、里面的空氣，以及內(nèi)部器件。
圖4 網(wǎng)格導(dǎo)入
b. 空氣從2個(gè)圓形入口以2m/s流入，從另一側(cè)的三列長(zhǎng)方形出口流出。
圖5 空氣流動(dòng)方向
3 求解設(shè)置
3.1求解模型
a. 雙擊 求解> 求解模型，設(shè)置湍流模型。時(shí)間選穩(wěn)態(tài)，流動(dòng)選不可壓。方法選湍流，熱效應(yīng)處勾選能量。
圖6 模型設(shè)置
b. 右擊 材料> 添加材料，本案例涉及的材料有4種，包括軟件內(nèi)置的：鋁和空氣；另外2種電路板和芯片需要額外添加。
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產(chǎn)品小貼士
Ansys Icepak是一款用于電子熱管理的CFD求解器。它可以預(yù)測(cè)IC封裝、PCB、電子裝配體/外殼和電力電子設(shè)備中的氣流、溫度和傳熱。
Ansys Mechanical是業(yè)界領(lǐng)先的有限元求解器，具有結(jié)構(gòu)、熱學(xué)、聲學(xué)、瞬態(tài)和非線性功能，可幫助改進(jìn)建模。
西門子Flotherm作為全球領(lǐng)先的電子散熱仿真CFD軟件，通過(guò)精準(zhǔn)的熱模擬分析，幫助工程師在設(shè)計(jì)初期預(yù)見(jiàn)并解決散熱問(wèn)題，顯著縮短研發(fā)周期，提升產(chǎn)品可靠性與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
一、為何熱設(shè)計(jì)是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心挑戰(zhàn)？
AEDT Icepak 是 Ansys Electronics Desktop（AEDT）平臺(tái)中用于電子熱管理的 CFD 求解器。它基于 Ansys Fluent CFD 求解器，可預(yù)測(cè) IC 封裝、PCB、電子裝配體、外殼和電力電子設(shè)備中的氣流、溫度和熱傳遞，為電子冷卻提供強(qiáng)大解決方案。
8月5日，Ansys官方研討會(huì)『AEDT Icepak降階模型：動(dòng)態(tài)熱管理及快速優(yōu)化解決方案
培訓(xùn)目標(biāo)：
?了解電子散熱基礎(chǔ)理論知識(shí)
?了解CFD仿真流程及規(guī)范，包括計(jì)算域建立原則、網(wǎng)格密度分布、零部件簡(jiǎn)化原則、邊界條件設(shè)置、收斂準(zhǔn)則等
?了解電子散熱中所遇現(xiàn)象的分析方法：對(duì)流、輻射、焦耳熱、Gerber數(shù)據(jù)應(yīng)用，PCB板/電池包的快速熱仿真、熱路徑分析等
?能采用scSTREAM完成電子散熱的CFD分析
?基于scSTREAM可完成快速液冷電池包分析
培訓(xùn)費(fèi)用：培訓(xùn)免費(fèi)
1 案例背景
電子機(jī)箱是承載電子設(shè)備的箱體，比如電腦主機(jī)。機(jī)箱內(nèi)電子元件工作會(huì)發(fā)熱，為了讓熱量及時(shí)排出，常用風(fēng)扇強(qiáng)迫外界空氣流經(jīng)機(jī)箱，進(jìn)行散熱。本仿真目的是計(jì)算電子元件發(fā)熱功率及進(jìn)風(fēng)量一定時(shí)，機(jī)箱內(nèi)的溫度分布情況，進(jìn)而輔助機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)。
本案例需要的輸入文件和參數(shù)信息如下表：
網(wǎng)格文件
Chassis.msh
培訓(xùn)目標(biāo)：
? 了解電子散熱基礎(chǔ)理論知識(shí)；
? 了解CFD仿真流程及規(guī)范：計(jì)算域建立原則、網(wǎng)格密度分布、零部件簡(jiǎn)化原則、邊界條件設(shè)置、收斂準(zhǔn)則等；
? 了解電子散熱中所遇現(xiàn)象的分析方法：對(duì)流、輻射、焦耳熱、Gerber數(shù)據(jù)應(yīng)用，PCB板/電池包快速熱仿真、熱路徑分析等；
? 能采用scSTREAM完成電子散熱的CFD分析；
? 基于scSTREAM可完成快速液冷電池包分析
Simcenter Flotherm則是一套電子系統(tǒng)散熱仿真軟件，?通過(guò)快速、?準(zhǔn)確的電子冷卻CFD仿真，?提升電子熱管理的可靠性。?它通過(guò)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)建模和多物理場(chǎng)求解算法，?能夠精確地模擬流體和固體之間的熱交換效應(yīng)，?包括傳導(dǎo)、?對(duì)流和輻射等。?
CFD 進(jìn)行熱管理設(shè)計(jì)。
回顧過(guò)去
CFD 用于電子冷卻的出現(xiàn)僅在 80 年代后期才開(kāi)始，大約在 CFD 在空氣動(dòng)力學(xué)應(yīng)用中占有一席之地 30 年后。第一個(gè)用于電子冷卻 CFD 研究的工作站使用 Unix。為了使用這個(gè)平臺(tái)，熱工程師絕對(duì)有必要對(duì)流體動(dòng)力學(xué)和傳熱有一個(gè)核心的了解。以綠色和黑色線框布置的幾何圖形需要數(shù)天和數(shù)周的時(shí)間來(lái)構(gòu)建。每個(gè)幾何體都將表示為一組僅由矩形塊和三角柱組成的長(zhǎng)方體。
高征宇
上海安世亞太CFD高級(jí)工程師
CFD及其傳熱學(xué)碩士，具有豐富的CFD及其電子產(chǎn)品熱仿真的咨詢經(jīng)驗(yàn)。有3年在韓國(guó)進(jìn)行CFD、電子散熱工作的經(jīng)驗(yàn)，曾長(zhǎng)期為三星，LG，現(xiàn)代汽車等企業(yè)及其下屬企業(yè)進(jìn)行電子散熱仿真的技術(shù)支持、項(xiàng)目咨詢、二次開(kāi)發(fā)工作。
