CAE传授教化｜若何运用 Fluent 软件做好电子产品的散热问题？

热量产生示意图

下图是美国空军对导致电子设备失落效的缘故原由的调查，调查结果表明导致元器件失落效的紧张缘故原由便是高温。

美国空军对导致电子设备失落效的缘故原由的调查

在电子行业，器件的环境温度升高10 ℃时，每每失落效率会增加一个数量级，这便是所谓的“10 ℃法则”。

每种器件失落效前的均匀韶光是其所承受的应力水平、热应力和化学构造的综称身分的统计函数。
降落热应力能够使失落效率显著地降落，见表1。

表1 高低温时部分元器件失落效率及比值

随着软件技能和打算机硬件的飞速发展，如今电子产品的设计已进入了面向并行工程的CAD／CAE／CAM时期，设计及评估职员都能够依赖打算机仿真技能更好的展开事情。

ANSYS 在办理电子系统的系统级散热设计方面有着最好的专业技能上风，运用专业的CFD打算软件群，能够在模型建模、快速的网格天生、强大的求解打算、完善的后处理等方面拥有独特的上风。

基于ANSYS Fluent 的电子散热问题剖析基本事情流程

电子散热仿真中的几何处理（SCDM）

ANSYS SpaceClaim Direct Modeler（简称 SCDM）是基于直接建模思想的新一代3D建模和几何处理软件，可以供应给CAE剖析工程师一种全新的CAD几何模型的交互办法，从而显著地缩短产品设计周期，大幅提升CAE剖析的模型处理质量和效率。

SCDM 新一代3D建模和几何处理软件

对付电子散热问题，常日工程师须要处理大量固体电子元器件的几何模型，而且这些器件大多不是同一种材料，因此还要考虑多个实体间的干涉与缝隙；同时，工程师还须要获取固体之间的流场区域，并根据不同的情形进行几何分类（如风扇区域、格栅区域等）。

对付电子散热仿真中纷繁繁芜的几何问题，SCDM可以结合自身特点，高效的完成几何修复与几何简化的事情，从而使CAD设计与CAE仿真建立高速桥梁，完成仿真的第一步。

利用SCDM修复和简化的电子器件几何模型

SCDM软件快速获取流体仿真区域

电子散热仿真中的网格工具（Workbench Meshing）

Workbench Meshing 是ANSYS旗下运用最为广泛的网格划分工具，该软件具备有多物理场网格划分的功能，可以在流体、构造、电磁、显示动力学、水动力学等物理场仿真的流程中，出色的完成对应的功能，划分区分各自求解器特色的有针对性的网格。

对付基于ANSYS Fluent 的电子散热问题仿真，Workbench Meshing也是一个不错的选择，它可以针对流体仿真的问题进行高效准确的网格划分。

1. Workbench Meshing具备有大略高效的事情流程；

2. 当Workbench Meshing与SCDM合营利用，可以快速天生共节点的体网格；

3. Workbench Meshing 可以快速天生稠浊网格，提升打算效率和仿真精度。

固体区域表面网格

剖面网格显示（共节点稠浊网格）

电子散热仿真中的求解器（Fluent）

1、换热模型

自然界中最为常见的四种热交流征象：热对流、热传导、热辐射、相变换热

四种传热模型

这些热交流的问题，都是可以通过Fluent 软件进行仿真打算的。

通过之前几何、网格两个步骤，我们常日已经得到了流体与固体的有限元网格，接下来，Fluent 通过有限体积法进行详细的三维打算求解，流体区域求解传热方程和流动方程，固体区域仅求解能量方程。

Fluent 可以直接求解热传导问题和热对流问题，只须要常日的网格划分与边界条件设定即可。

Fluent中求解热传导问题

Fluent中求解热对流问题

2、自然对流与逼迫对流（Natural and Force Convection）

在大多数工业运用中，自然对流和逼迫对流利常都是同时存在的。
两者产生影响的相对大小，我们常日可以用改动的弗劳德数Fr（与1的大小关系）来确定。

ANSYS Fluent 软件具备打算自然对流与逼迫对流的功能，无论打算区域是封闭的空间还是开放的。
当然，Fluent并没有设计一个专门的选项来区分自然对流与逼迫对流，就犹如上文中所先容的，他们常日都是同时存在的，只是霸占的比重不一致。

常日情形下，流体仿真工程师通过对密度的模型和重力条件进行有区分的设定，来描述在流场中是否考虑自然对流；当然，在这之外可能还须要额外的一些参考条件设定来合营才能生效。
Fluent 供应多种密度模型来描述自然对流，比较常用的有以下几种：

Ideal gas 空想气体Incompressible ideal gas 不可压缩的空想气体Boussinesq 波斯尼克密度模型

封闭空间的自然对流模型

3、热辐射模型

Fluent 可以通过多种模型打算热辐射。
但个中适用于电子散热仿真的模型，常日推举利用S2S和DO两种。

S2S原则上用于真空（零光学厚度）的热辐射问题，由于它没有考虑介质的散射、接管等影响，属于表面热辐射问题。

按照常日的观点，电子散热的区域的流体介质险些都是空气，而且空气中的氧气、氮气等双原子分子对各个波长的热辐射都近似“透明”（绝大部分热辐射都会穿透双原子分子）。
因此，在电子散热问题中，S2S是优先选择的热辐射模型，它可以有效提升打算的精度，同时并不过大的增加打算的事情量。

S2S 模型中视线因子打算方法

DO热辐射模型在电子散热仿真中，运用的机遇相对较少。
比拟S2S模型，DO模型的打算事理更加细致，可以考虑所有介质对热辐射的影响，是精度更高的物理模型。
但由于其须要输入的材料属性过多（且难以准确获取）、打算韶光较长，因此仅建议在一些繁芜的散热问题中利用（如：非灰体辐射、介质中含多种气体等）。

DO模型中离散坐标系的求解方法

热辐射问题中求解的输运方程：

热辐射模型利用的机遇：

将辐射热通量

与对流及导热的传热速率进行比拟，当二者数量级相当时，该当考虑辐射效应。

算例中是否考虑热辐射结果比拟

通过上图可以创造：

1.考虑热辐射后，电子产品的均匀温度会降落。

2.产品上方金属箱盖处受到热辐射的影响，温度较高；不考虑热辐射时，这部分温度为最低。

Fluent 可以打算相变换热，但常日要与多相流或者UDF连用，属于Fluent 仿真中相对高等的问题，难度也更大，常日在电子散热问题中不会涉及。

4、电子器件发热

Fluent 通过对固体打算区域添加能量源项的办法，来描述电子元器件的发热情形，输入的源项单位是W/m3。

电子元器件发热

当然，对付不同的问题，各种电子元器件的发热功率是不一样的，大部分情形我们按照常数进行剖析；但有些发热功率是韶光的函数，有些则是空间的函数，还有一些是其他变量（如温度、湿度等）的函数。

为此，Fluent 可以通过分布文件（Profile）或UDF（用户自定义函数）的办法办理上述问题，原则上可以输入任意已知类型的发热功率。

某型汽车新能源电池单个电芯发热功率随电芯温度变革情形

单个电芯发热功率随电芯温度变革UDF编程代码（节选）

5、壁面边界条件

固体壁面在电子散热问题中每每扮演着重要的角色，因此，绝大多数的电子期间散热问题都必须要处理固体壁面（wall）问题。

Fluent 中供应三种不同的壁面处理办法，能够根据问题的不同来进行有针对性的仿真简化，从而达到提高事情效率的目的。

方法一：对固体区域划分网格

在固体域求解能量方程，须要对网格区域划分网格。
这是最精确方法，流体与固体交界处会利用耦合热边界条件进行打算，只须要工程师授予精确的材料属性，其他全部由Fluent自行打算得到。

不敷：固体区域常日很薄，在个中划分体网格会极大的增加网格的总数。

方法二：薄壁模型（Thin Wall）

至划分流体区域的网格，固体壁面等效为一个面边界（boundary）。
该方法可以有效办理薄固体区域带来的网格增加问题，事情效率极高，仅须要在确定固体材料的根本上输入厚度值即可

不敷：只能考虑法向的热传导，不能打算切向热交流。

方法三：壳导热模型 （Shell Conduction）

与薄壁模型（Thin Wall）类似，壳导热模型在方法二的根本上打开选项Shell Conduction进行设定，不同的地方是壳导热可以打算热量在切向与法向的通报，而且可以多层固体区域一起打算。

壳导热模型的实质是增加一层虚拟网格，而且这一层网格是Fluent单独额外打算的，工程师无法通过任何已知的命令来获取网格的干系信息。

壳导热模型在不增加网格数量的情形下，仍旧能够相对准确的打算壁面处的热通报问题，可以认为是电子散热问题的首选。

不敷：与某些模型连用时可能会有额外的限定（如：FMG初始化等）