Fluent散熱計算的案例
『分享』功率器件的散熱計算及散熱器選擇
功率器件的散熱計算及散熱器選擇
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目前的電子產品主要采用貼片式封裝器件，但大功率器件及一些功率模塊仍然有不少用穿孔式封 裝，這主要是可方便地安裝在散熱器上，便于散熱。進行大功率器件及功率模塊的散熱計算，其目的是在確定的散熱條件下選擇合適的散熱器，以保證器件或模塊安全、可靠地工作。
散熱計算
任何器件在工作時都有一定的損耗，大部分的損耗變成熱量。小功率器件損耗小，無需散熱裝置。而大功率器件損耗大，若不采取散熱措施，則管芯的溫度可達到或超過允許的結溫，器件將受到損壞。因此必須加散熱裝置，最常用的就是將功率器件安裝在散熱器上，利用散熱器將熱量散到周圍空間，必要時再加上散熱風扇，以一定的風速加強冷卻散熱。在某些大型設備的功率器件上還采用流動冷水冷卻板，它有更好的散熱效果。 散熱計算就是在一定的工作條件下，通過計算來確定合適的散熱措施及散熱器。功率器件安裝在散熱器上。它的主要熱流方向是由管芯傳到器件的底部，經散熱器將熱量散到周圍空間。若沒有風扇以一定風速冷卻，這稱為自然冷卻或自然對流散熱。
熱量在傳遞過程有一定熱阻。由器件管芯傳到器件底部的熱阻為R JC，器件底部與散熱器之間的熱阻為R CS，散熱器將熱量散到周圍空間的熱阻為R SA，總的熱阻R JA=R JC+R CS+R SA。若器件的最大功率損耗為PD，并已知器件允許的結溫為TJ、環境溫度為TA，可以按下式求出允許的總熱阻R JA。
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圖 17 初始化17、計算，設置number of iterations為200。圖 18 迭代數量
計算結果
18、計算殘差曲線如下圖所示。圖 19 殘差曲線圖 20 散熱效率及功率圖 21整體模型溫度圖 22 水道內部壓力圖 23 水道內部流速
歡迎土豪贊助。
基于Fluent電磁流場散熱特性仿真
表2 方案一和方案二的仿真溫度對比
3.2.2 風道高度對散熱效果的影響
導風筋可將進風聚集至散熱片，構成散熱片專用風道，同時聚風板可將進風聚集到線圈盤上表面與微晶面板下表面之間的間隙處，構成線圈盤專用風道，當進風流經該風道時，不僅可為線圈盤散熱，還可有效隔絕來自微晶面板的輻射傳熱。然而，線圈盤專用風道的高度會影響進風量，進而影響發熱元件的散熱效果，因此方案二和方案三采用了不同的風道高度，來探究其對散熱效果的影響。
方案二和方案三的內部散熱結構如圖5(b)所示，導風筋、聚風板、軸流風機、PCB電路板以及線圈盤的位置相同，不同點是方案三將微晶面板向上偏移2mm，進而線圈盤專用風道的高度與方案二相比增加了2mm。兩個方案通過仿真模型計算出的內部溫度云圖如圖7所示。基于圖7可看出，高溫區域受進風影響向電磁爐的出風口方向移動。然而，方案三的高溫區域堆積在邊緣處，沒有從出風口排出，說明將微晶面板向上偏移2mm后，線圈盤上方的空間增大，空氣由出風口排出的路徑也相應增長，不利于經熱交換之后的熱空氣排出電磁爐，不利于線圈盤的散熱。
圖7 方案二和方案三的溫度云圖
兩個方案計算出不同測溫點的溫度總結于表3。方案三各點溫度均高于方案二，說明將線圈盤專用風道的高度增加后，線圈盤的散熱效果有所減弱，進而影響到位于線圈盤下方的散熱片的散熱。
表3 方案二和方案三的仿真溫度對比
4 總結
通過運用Fluent計算流體動力學仿真，對電磁爐內部散熱結構的設計提供了思路，具體為：
（1）線圈盤與散熱片可采用分層放置的方式，即線圈盤放置于散熱片的上方，這樣可利用導風筋和聚風板的結構，形成線圈盤和散熱片專用風道，合理分配進風量，有利于發熱元件的散熱。
展開 ANSYS與FLUENT瞬態散熱模型對比
最近在做熱分析時，得到這樣一個ansys的算例——帶空金屬板冷卻的瞬態熱分析，使用fluent軟件進行了仿真，與ansys的結果做以對比。
問題描述如下：一長方形金屬板，板得長度為15cm，板得中央是一個半徑為1cm的圓孔。板得初始溫度為500℃，將其突然放置于溫度為20℃，表面傳熱系數為100W/(㎡*℃)的流體介質中，試計算：
1）第1s及第50s這兩個時刻金屬板內的溫度分布；
2）金屬板上4個頂點在前50s內的溫度變化（本文只取左上角點A，如圖1所示）。
該金屬板得基本材料性質如下：
密度為5000kg/m3，比熱容為200J/(kg*℃)，導熱系數為5W/(m*℃)。
圖1
對于這個問題，模型比較簡單，本文對其操作步驟不再詳述，重點在對比ansysy和fluent的仿真結果上。
圖2
圖3
從上圖中可以看出，Ansys的分析結果：1s時，A點的最大溫度為499.999℃，最小溫度為464.98℃；50s時，最大溫度為437.713℃，最小溫度為270.812℃。Fluent仿真結果：1s時，A點的最大溫度為499.99℃，最小溫度為465.37℃；50s時，最大溫度為437.4℃，最小溫度為275.72℃。從上面的兩組數據可以看出，兩種軟件的結果是吻合的，相差在1%左右。
圖4
從上圖中可以看出，ANSYS和FLUENT的結果趨勢完全吻合，最大相差4%。
針對兩款軟件對此問題的求解的結果的差別，或許是求解方式上的差別，ansys是基于有限元的求解方法，fluent是基于有限體積的求解方法。
展開 
Fluent 滑移網格+高鐵制動盤制動過程散熱仿真(一)
本案例對高鐵緊急制動時的制動盤溫度場和速度場進行了仿真計算。由于涉及到傳熱、滑移網格之類的仿真計算，整個計算流程與計算模型十分復雜繁瑣。上一節已經展開了動網格制動盤散熱過程的教學，因此本節展開滑移網格的耦合教學。
1 workbench 設置
本案例分為三個模塊，其中分別是滑移網格運動區域，固體結構和外部靜止域。
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
與Fluent 動網格+高鐵制動盤制動過程仿真(一)一致，因此不做過多闡述：
固體域區域需要注意，各部分命名如下圖：
2.2 網格設置
采用Fluent meshing進行網格劃分，增加固體域網格劃分，不做過多闡述：
3 FLUENT 設置
3.1 General設置與網格導入
首先導入網格，由于是三部分網格，因此需要通過附加case的方式，將其余兩部分網格導入，然后勾選穩態計算，具體設置如下圖所示。
展開 Ansys fluent16.0流固耦合散熱仿真
穩態求解：風扇用MRF模型，在cell zone conditions中勾選Frame motion，設置好旋轉中心和轉速；
一、流固耦合交界面處理方法：
1、在SCDM中設置共享拓撲；
2、打開fluent meshing，軟件自動生成contact，每個接觸重命名為interface，在fluent中會自動生成交界面；
3、把自動生成的contact刪除，單獨命名各個接觸面為interface，之后在fluent/mesh interfaces中手動匹配；
4、將接觸的part進行form new part操作，之后就不用進行交界面的耦合操作（共節點）；
二、常見報錯：
1、 does not support overlapping geometry in contact region;
2、 does not support overlapping geometry in named sections;
第一種報錯是因為有一個面被設置在了多個接觸對中，檢查接觸面，刪除重復接觸面；
第二種報錯是因為有一個面被重復的命名，檢查named section，刪除重復命名截面；
展開 操作教程 | FLUENT散熱器熱輻射模擬
計算求解
單擊主菜單中Solving→Run Calculation按鈕，彈出Run Calculation（運行計算）面板。
在Number of Iterations中輸入100，單擊Calculate開始計算。
10. 結果后處理
進入CFD-Post界面，顯示云圖。
如何使用 Fluent 軟件做好電子產品的散熱問題？
ANSYS Fluent軟件具備計算自然對流與強制對流的功能，無論計算區域是封閉的空間還是開放的。當然，Fluent并沒有設計一個專門的選項來區分自然對流與強制對流，就如同上文中所介紹的，他們通常都是同時存在的，只是占據的比重不一致。
通常情況下，流體仿真工程師通過對密度的模型和重力條件進行有區分的設定，來描述在流場中是否考慮自然對流；當然，在這之外可能還需要額外的一些參考條件設定來配合才能生效。Fluent 提供多種密度模型來描述自然對流，比較常用的有以下幾種：
■ Ideal gas 理想氣體
■ Incompressible ideal gas 不可壓縮的理想氣體
■ Boussinesq 波斯尼克密度模型
▲ 封閉空間的自然對流模型
熱輻射模型
Fluent 可以通過多種模型計算熱輻射。但其中適用于電子散熱仿真的模型，通常推薦使用S2S和DO兩種。
S2S原則上用于真空（零光學厚度）的熱輻射問題，因為它沒有考慮介質的散射、吸收等影響，屬于表面熱輻射問題。按照通常的概念，電子散熱的區域的流體介質幾乎都是空氣，而且空氣中的氧氣、氮氣等雙原子分子對各個波長的熱輻射都近似“透明”（絕大部分熱輻射都會穿透雙原子分子）。因此，在電子散熱問題中，S2S是優先選擇的熱輻射模型，它可以有效提升計算的精度，同時并不過大的增加計算的工作量。
▲ S2S 模型中視線因子計算方法
DO熱輻射模型在電子散熱仿真中，應用的時機相對較少。對比S2S模型，DO模型的計算原理更加細致，可以考慮所有介質對熱輻射的影響，是精度更高的物理模型。
展開 33 Fluent實用案例 | 動網格高鐵制動盤制動過程散熱仿真
本案例對高鐵緊急制動時的制動盤溫度場和速度場進行了仿真計算。由于涉及到傳熱、動網格之類的仿真計算，整個計算流程與計算模型十分復雜繁瑣。上一節已經展開了制動過程的教學，因此本節展開熱仿真的耦合教學。
1 workbench 設置
與 Fluent 動網格+高鐵制動盤制動過程仿真(一) 相比，增加了一個模塊，是用來劃分固體域網格。
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
與 Fluent 動網格+高鐵制動盤制動過程仿真(一) 一致，因此不做過多闡述：
固體域區域需要注意，各部分命名如下圖：
2.2 網格設置
采用Fluent meshing進行網格劃分，增加固體域網格劃分，不做過多闡述：
采用 Fluent meshing 進行網格劃分，層鋪區域采用四面體網格劃分。具體的網格劃分如下圖所示：
網格劃分情況可以參考 Fluent meshing 層鋪動網格劃分教程（一）
3 FLUENT 設置
3.1 General設置與網格導入
首先導入網格，由于是三部分網格，因此需要通過附加case的方式，將其余兩部分網格導入，然后勾選穩態計算，具體設置如下圖所示。
展開 基于Fluent的散熱仿真分析在FDM桌面機上的應用
本期增材專欄，基于某款FDM桌面機對其整機成型腔室的溫度進行散熱仿真分析，以獲得其整個成型腔室內部溫度分布狀況，同時對其散熱結構進行了相應的優化，獲得原方案和優化方案的對比結果，為后期產品的設計改進提供了參考依據。
FDM桌面機模型簡化處理
FDM桌面機主要由腔室框架、噴頭系統、送絲系統、運動結構、加熱系統、成型平臺以及其他附件等部分組成，具體可參見圖1所示。FDM桌面機整機模型結構比較復雜，在仿真計算中，需要把一些對整機成型腔室溫度仿真分析影響不大的部件進行忽略。
圖 1某FDM桌面機整機模型
圖 2某FDM桌面機簡化后模型
在本文仿真模型中，只考慮腔室框架、噴頭系統、送絲系統、部分運動件和成型平臺，腔室框架內：上壁板以頂蓋為邊界做模型簡化，去掉加強筋；下壁板以成型平臺為邊界簡化為平面；送料電機按外殼形狀做簡化，風扇按外殼形狀簡化為方塊體，具體可參見圖2所示。
同時對一些結構（比如噴頭系統）進行模型簡化。噴頭系統按噴頭保護罩形狀簡化，不考慮內部風道與結構，按照柵格面積折算表面開口大小，具體可參見圖3和圖4所示。
圖 3簡化前噴頭幾何模型
圖 4簡化后噴頭幾何模型
散熱仿真模型的建立
整個仿真模型是基于仿真軟件Fluent19.2進行搭建，由于結構復雜，使用四面體劃分網格，在細小結構附近采用小尺寸1mm捕捉曲率變化,模型中最小間隙尺寸為2.5mm,這樣保證小間隙內至少有2層網格。網格總數為4031335，最大網格畸率為0.848,網格質量過關，具體可參見圖5所示。
展開 34 Fluent實用案例 | 滑移網格高鐵制動盤制動過程散熱仿真
本案例對高鐵緊急制動時的制動盤溫度場和速度場進行了仿真計算。由于涉及到傳熱、滑移網格之類的仿真計算，整個計算流程與計算模型十分復雜繁瑣。上一節已經展開了動網格制動盤散熱過程的教學，因此本節展開滑移網格的耦合教學。
1 workbench 設置
本案例分為三個模塊，其中分別是滑移網格運動區域，固體結構和外部靜止域。
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
與 Fluent 動網格+高鐵制動盤制動過程仿真(一) 一致，因此不做過多闡述：
固體域區域需要注意，各部分命名如下圖：
2.2 網格設置
采用Fluent meshing進行網格劃分，增加固體域網格劃分，不做過多闡述：
3 FLUENT 設置
3.1 General設置與網格導入
首先導入網格，由于是三部分網格，因此需要通過附加case的方式，將其余兩部分網格導入，然后勾選穩態計算，具體設置如下圖所示。
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功率器件熱計算及散熱片選型分析 ￥50
功率器件散熱計算及散熱片選型分析
1.判斷功率器件是否需要散熱片？
對于本文的其余部分，讓我們假設正在使用 TO-220 封裝中的晶體管開發應用，晶體管的開關和傳導損耗相當于 2.78 W 的功耗，以及環境工作溫度為該應用預計不會超過 50°C。該晶體管是否需要散熱器？（詳見計算表）
2.散熱片熱阻計算及選型？
發動機氣缸風冷散熱器溫度場分析 FLUENT 報錯
在把氣缸畫好網格后，在外面畫了一個流體的風洞網格，在導入FLUENT 求解時提示grid connectivity information not available，是不是氣缸的網格和流體的網格要做一個特殊的處理，希望大師給指點……
風冷散熱器性能計算工具
這是一款快速評估風冷翅片散熱器性能的工具，能夠快速給出流量、風速、溫度的解，幫助大家更好的設計散熱器。
高手拆招，如何使用 Fluent 軟件做好電子產品的散熱問題？
ANSYS Fluent 軟件具備計算自然對流與強制對流的功能，無論計算區域是封閉的空間還是開放的。當然，Fluent并沒有設計一個專門的選項來區分自然對流與強制對流，就如同上文中所介紹的，他們通常都是同時存在的，只是占據的比重不一致。
通常情況下，流體仿真工程師通過對密度的模型和重力條件進行有區分的設定，來描述在流場中是否考慮自然對流；當然，在這之外可能還需要額外的一些參考條件設定來配合才能生效。Fluent 提供多種密度模型來描述自然對流，比較常用的有以下幾種：
l Ideal gas 理想氣體
l Incompressible ideal gas 不可壓縮的理想氣體
l Boussinesq 波斯尼克密度模型
封閉空間的自然對流模型
熱輻射模型
Fluent 可以通過多種模型計算熱輻射。但其中適用于電子散熱仿真的模型，通常推薦使用S2S和DO兩種。
S2S原則上用于真空（零光學厚度）的熱輻射問題，因為它沒有考慮介質的散射、吸收等影響，屬于表面熱輻射問題。
按照通常的概念，電子散熱的區域的流體介質幾乎都是空氣，而且空氣中的氧氣、氮氣等雙原子分子對各個波長的熱輻射都近似“透明”（絕大部分熱輻射都會穿透雙原子分子）。因此，在電子散熱問題中，S2S是優先選擇的熱輻射模型，它可以有效提升計算的精度，同時并不過大的增加計算的工作量。
S2S 模型中視線因子計算方法
DO熱輻射模型在電子散熱仿真中，應用的時機相對較少。對比S2S模型，DO模型的計算原理更加細致，可以考慮所有介質對熱輻射的影響，是精度更高的物理模型。
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