一、寫在前面

在電子設(shè)備中，熱功率損失通常以熱能耗散的形式表現(xiàn)，而任何具有電阻的元件都是一個(gè)內(nèi)部熱源。

電子設(shè)備是由大量的電子元件組成的，當(dāng)電子設(shè)備正常工作時(shí)，其輸入功率要高于輸出功率，高出這部分功率則轉(zhuǎn)化為熱量耗散掉，如果這些熱量不能順利地導(dǎo)出，就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部高溫，高溫會(huì)導(dǎo)致元器件失效，單個(gè)元器件失效會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的失效。

在電子行業(yè)，器件的環(huán)境溫度升高10 ℃時(shí)，往往失效率會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，這就是所謂的“10 ℃法則”。

每種器件失效前的平均時(shí)間是其所承受的應(yīng)力水平、熱應(yīng)力和化學(xué)結(jié)構(gòu)的綜合因素的統(tǒng)計(jì)函數(shù)。降低熱應(yīng)力能夠使失效率顯著地降低.

隨著軟件技術(shù)和計(jì)算機(jī)硬件的飛速發(fā)展，如今電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已進(jìn)入了面向并行工程的CAD／CAE／CAM時(shí)代，設(shè)計(jì)及評(píng)估人員都能夠依靠計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)更好的展開工作。

ANSYS 在解決電子系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)散熱設(shè)計(jì)方面有著最好的專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用專業(yè)的CFD計(jì)算軟件群，能夠在模型建模、快速的網(wǎng)格生成、強(qiáng)大的求解計(jì)算、完善的后處理等方面擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

二、電子散熱仿真中的幾何處理（SCDM）

ANSYS SpaceClaim Direct Modeler（簡(jiǎn)稱 SCDM）是基于直接建模思想的新一代3D建模和幾何處理軟件，可以提供給CAE分析工程師一種全新的CAD幾何模型的交互方式，從而顯著地縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，大幅提升CAE分析的模型處理質(zhì)量和效率。

對(duì)于電子散熱問(wèn)題，通常工程師需要處理大量固體電子元器件的幾何模型，而且這些器件大多不是同一種材料，因此還要考慮多個(gè)實(shí)體間的干涉與縫隙；同時(shí)，工程師還需要獲取固體之間的流場(chǎng)區(qū)域，并根據(jù)不同的情況進(jìn)行幾何分類（如風(fēng)扇區(qū)域、格柵區(qū)域等）。

對(duì)于電子散熱仿真中紛繁復(fù)雜的幾何問(wèn)題，SCDM可以結(jié)合自身特點(diǎn)，高效的完成幾何修復(fù)與幾何簡(jiǎn)化的工作，從而使CAD設(shè)計(jì)與CAE仿真建立高速橋梁，完成仿真的第一步。

三、電子散熱仿真中的網(wǎng)格工具（Workbench Meshing）

Workbench Meshing 是ANSYS旗下應(yīng)用最為廣泛的網(wǎng)格劃分工具，該軟件具備有多物理場(chǎng)網(wǎng)格劃分的功能，可以在流體、結(jié)構(gòu)、電磁、顯示動(dòng)力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)等物理場(chǎng)仿真的流程中，出色的完成對(duì)應(yīng)的功能，劃分區(qū)分各自求解器特征的有針對(duì)性的網(wǎng)格。

對(duì)于基于ANSYS Fluent 的電子散熱問(wèn)題仿真，Workbench Meshing也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，它可以針對(duì)流體仿真的問(wèn)題進(jìn)行高效準(zhǔn)確的網(wǎng)格劃分。

1. Workbench Meshing具備有簡(jiǎn)單高效的工作流程；

2. 當(dāng)Workbench Meshing與SCDM配合使用，可以快速生成共節(jié)點(diǎn)的體網(wǎng)格；

3. Workbench Meshing 可以快速生成混合網(wǎng)格，提升計(jì)算效率和仿真精度。

四、電子散熱仿真中的求解器（Fluent）

• 換熱模型

自然界中最為常見(jiàn)的四種熱交換現(xiàn)象：熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)、熱輻射、相變換熱。

這些熱交換的問(wèn)題，都是可以通過(guò)Fluent 軟件進(jìn)行仿真計(jì)算的。

通過(guò)之前幾何、網(wǎng)格兩個(gè)步驟，我們通常已經(jīng)得到了流體與固體的有限元網(wǎng)格，接下來(lái)，F(xiàn)luent 通過(guò)有限體積法進(jìn)行詳細(xì)的三維計(jì)算求解，流體區(qū)域求解傳熱方程和流動(dòng)方程，固體區(qū)域僅求解能量方程。

Fluent可以直接求解熱傳導(dǎo)問(wèn)題和熱對(duì)流問(wèn)題，只需要通常的網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)定即可。

• 自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流（Natural and Force Convection）

在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中，自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流通常都是同時(shí)存在的。兩者產(chǎn)生影響的相對(duì)大小，我們通?？梢杂眯拚母诘聰?shù)Fr（與1的大小關(guān)系）來(lái)確定。

ANSYS Fluent 軟件具備計(jì)算自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流的功能，無(wú)論計(jì)算區(qū)域是封閉的空間還是開放的。當(dāng)然，F(xiàn)luent并沒(méi)有設(shè)計(jì)一個(gè)專門的選項(xiàng)來(lái)區(qū)分自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流，就如同上文中所介紹的，他們通常都是同時(shí)存在的，只是占據(jù)的比重不一致。

通常情況下，流體仿真工程師通過(guò)對(duì)密度的模型和重力條件進(jìn)行有區(qū)分的設(shè)定，來(lái)描述在流場(chǎng)中是否考慮自然對(duì)流；當(dāng)然，在這之外可能還需要額外的一些參考條件設(shè)定來(lái)配合才能生效。Fluent 提供多種密度模型來(lái)描述自然對(duì)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

• 熱輻射模型

Fluent 可以通過(guò)多種模型計(jì)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(xué)厚度）的熱輻射問(wèn)題，因?yàn)樗鼪](méi)有考慮介質(zhì)的散射、吸收等影響，屬于表面熱輻射問(wèn)題。

按照通常的概念，電子散熱的區(qū)域的流體介質(zhì)幾乎都是空氣，而且空氣中的氧氣、氮?dú)獾入p原子分子對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)的熱輻射都近似“透明”（絕大部分熱輻射都會(huì)穿透雙原子分子）。因此，在電子散熱問(wèn)題中，S2S是優(yōu)先選擇的熱輻射模型，它可以有效提升計(jì)算的精度，同時(shí)并不過(guò)大的增加計(jì)算的工作量。

DO熱輻射模型在電子散熱仿真中，應(yīng)用的時(shí)機(jī)相對(duì)較少。對(duì)比S2S模型，DO模型的計(jì)算原理更加細(xì)致，可以考慮所有介質(zhì)對(duì)熱輻射的影響，是精度更高的物理模型。但由于其需要輸入的材料屬性過(guò)多（且難以準(zhǔn)確獲取）、計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，因此僅建議在一些復(fù)雜的散熱問(wèn)題中使用（如：非灰體輻射、介質(zhì)中含多種氣體等）。

將輻射熱通量  與對(duì)流及導(dǎo)熱的傳熱速率進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)二者數(shù)量級(jí)相當(dāng)時(shí)，應(yīng)該考慮輻射效應(yīng)。

可以發(fā)現(xiàn)：

1.考慮熱輻射后，電子產(chǎn)品的平均溫度會(huì)降低。

2.產(chǎn)品上方金屬箱蓋處受到熱輻射的影響，溫度較高；不考慮熱輻射時(shí)，這部分溫度為最低。

Fluent 可以計(jì)算相變換熱，但通常要與多相流或者UDF連用，屬于Fluent 仿真中相對(duì)高級(jí)的問(wèn)題，難度也更大，通常在電子散熱問(wèn)題中不會(huì)涉及。

• 電子器件發(fā)熱

Fluent 通過(guò)對(duì)固體計(jì)算區(qū)域添加能量源項(xiàng)的方式，來(lái)描述電子元器件的發(fā)熱情況，輸入的源項(xiàng)單位是W/m3。

當(dāng)然，對(duì)于不同的問(wèn)題，各類電子元器件的發(fā)熱功率是不一樣的，大部分情況我們按照常數(shù)進(jìn)行分析；但有些發(fā)熱功率是時(shí)間的函數(shù)，有些則是空間的函數(shù)，還有一些是其他變量（如溫度、濕度等）的函數(shù)。

為此，F(xiàn)luent 可以通過(guò)分布文件（Profile）或UDF（用戶自定義函數(shù)）的方式解決上述問(wèn)題，原則上可以輸入任意已知類型的發(fā)熱功率。

• 壁面邊界條件：

固體壁面在電子散熱問(wèn)題中往往扮演著重要的角色，因此，絕大多數(shù)的電子期間散熱問(wèn)題都必須要處理固體壁面（wall）問(wèn)題

Fluent 中提供三種不同的壁面處理方式，能夠根據(jù)問(wèn)題的不同來(lái)進(jìn)行有針對(duì)性的仿真簡(jiǎn)化，從而達(dá)到提高工作效率的目的。

• 方法一：對(duì)固體區(qū)域劃分網(wǎng)格

在固體域求解能量方程，需要對(duì)網(wǎng)格區(qū)域劃分網(wǎng)格。這是最精確方法，流體與固體交界處會(huì)使用耦合熱邊界條件進(jìn)行計(jì)算，只需要工程師賦予正確的材料屬性，其他全部由Fluent自行計(jì)算得到。

不足：固體區(qū)域通常很薄，在其中劃分體網(wǎng)格會(huì)極大的增加網(wǎng)格的總數(shù)。

• 方法二：薄壁模型（Thin Wall）

至劃分流體區(qū)域的網(wǎng)格，固體壁面等效為一個(gè)面邊界（boundary）。該方法可以有效解決薄固體區(qū)域帶來(lái)的網(wǎng)格增加問(wèn)題，工作效率極高，僅需要在確定固體材料的基礎(chǔ)上輸入厚度值即可

不足：只能考慮法向的熱傳導(dǎo)，不能計(jì)算切向熱交換。

• 方法三：殼導(dǎo)熱模型 （Shell Conduction）

與薄壁模型（Thin Wall）類似，殼導(dǎo)熱模型在方法二的基礎(chǔ)上打開選項(xiàng)Shell Conduction進(jìn)行設(shè)定，不同的地方是殼導(dǎo)熱可以計(jì)算熱量在切向與法向的傳遞，而且可以多層固體區(qū)域一起計(jì)算。

殼導(dǎo)熱模型的本質(zhì)是增加一層虛擬網(wǎng)格，而且這一層網(wǎng)格是Fluent單獨(dú)額外計(jì)算的，工程師無(wú)法通過(guò)任何已知的命令來(lái)獲取網(wǎng)格的相關(guān)信息。

殼導(dǎo)熱模型在不增加網(wǎng)格數(shù)量的情況下，仍舊能夠相對(duì)準(zhǔn)確的計(jì)算壁面處的熱傳遞問(wèn)題，可以認(rèn)為是電子散熱問(wèn)題的首選。

不足：與某些模型連用時(shí)可能會(huì)有額外的限制（如：FMG初始化等）。

五：公開課-如何使用Fluent軟件做好電子產(chǎn)品的散熱問(wèn)題

使用Fluent進(jìn)行電子散熱的仿真分析流程較為清晰，但環(huán)節(jié)步驟多，本文限于篇幅暫未對(duì)各類電子散熱仿真的難點(diǎn)進(jìn)行一一解析。

為了讓更多的學(xué)員學(xué)習(xí)到Fluent電子散熱仿真分析的重難點(diǎn)問(wèn)題，筆者受仿真秀邀約，特定于2020年9月2日晚8點(diǎn)在仿真秀直播間為大家?guī)?lái)《如何使用 Fluent 軟件做好電子產(chǎn)品的散熱問(wèn)題？》專題公開課。

直播課程中，張老師將著重介紹fluent散熱仿真中的強(qiáng)制對(duì)流問(wèn)題。該問(wèn)題是電子散熱中較為常見(jiàn)的情況，課程將會(huì)對(duì)強(qiáng)制對(duì)流問(wèn)題中涉及到仿真步驟、物理模型、簡(jiǎn)化方法、收斂判定等情況進(jìn)行詳細(xì)的介紹，并通過(guò)一個(gè)案例實(shí)操來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的說(shuō)明。