用Fluent進(jìn)行電子器件散熱仿真分析，這些經(jīng)驗(yàn)不可不知

在使用Fluent軟件進(jìn)行電子器件散熱仿真分析的過程中，我們不可避免的要對(duì)實(shí)際的各種零部件進(jìn)行簡(jiǎn)化和處理。不管是幾何層面、網(wǎng)格層面還是求解器設(shè)定層面，不同的部件都有相應(yīng)的處理方法。下面就針對(duì)散熱仿真中的一些專用的設(shè)備（如風(fēng)扇、格柵、擋板等）進(jìn)行描述。

值得一提的是，如果條件允許，仍舊強(qiáng)烈推薦通用的電子散熱問題使用 Icepak 軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，因?yàn)槠湓诟鱾€(gè)方面的工作效率都遠(yuǎn)高于Fluent（比如常用散熱設(shè)備的處理，Icepak 已經(jīng)具備了基于對(duì)象的求解方法）。

一、散熱翅片

散熱翅片又稱翅片式散熱器，是氣體或液體熱交換器中使用最為廣泛的一種換熱設(shè)備，同時(shí)也是 Fluent仿真中電子散熱問題最為常見的設(shè)備。

圖1 散熱翅片是最為常見的散熱設(shè)備之一

對(duì)于散熱翅片，通常不需要做額外的處理，也不建議做模型的簡(jiǎn)化。

如下圖所示，由于翅片本身在法向上尺寸較小，其他兩個(gè)方向尺度又大，所以部分工程師很容易聯(lián)想到通過無厚度壁面的方式，對(duì)翅片進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而降低網(wǎng)格數(shù)量。但是散熱翅片本身直接與發(fā)熱體相連，溫度梯度大，對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的溫度分布影響也較大，所以通常情況下，這是不允許的。

圖2 散熱翅片的兩種處理方式

圖3 散熱翅片的兩種處理方式（網(wǎng)格情況）

圖4 散熱翅片的兩種處理方式（求解結(jié)果）

通過測(cè)試算例可知，采用直接實(shí)體建模的工況與Shell殼導(dǎo)熱工況存在巨大的數(shù)據(jù)結(jié)果差別。翅片無厚度簡(jiǎn)化過工況的散熱效果，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于實(shí)體建模的情況（差別在4-5K左右）。

二、薄壁導(dǎo)流板

薄壁導(dǎo)流板簡(jiǎn)稱擋板，其主要作用是場(chǎng)導(dǎo)向，終極目標(biāo)是將散熱區(qū)域的流體流動(dòng)最高效的應(yīng)用起來，以達(dá)到調(diào)整流動(dòng)方向、降低渦流（回流）和壓降、增強(qiáng)高溫區(qū)域流動(dòng)的目的。

圖5 仿真中的格柵與擋板

擋板的本質(zhì)仍舊是三維實(shí)體，并且和散熱翅片類似，厚度遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向的尺度。因此，如果對(duì)該類薄壁幾何劃分三維網(wǎng)格將會(huì)極大的增加網(wǎng)格數(shù)量，在工程實(shí)踐中難度較大、效率較低。與散熱翅片不同的是，大部分的擋板本身并不用于導(dǎo)熱，也不與發(fā)熱體直接接觸，因此建議做無厚度幾何處理。

處理后的幾何從三維實(shí)體變成了二維的 Baffle 面， Fluent 求解器是可以支持這種無厚度壁面類型的。Baffle 面通常用一種內(nèi)部邊界 Wall 來表示，這類邊界雖然兩側(cè)都在同一個(gè)流體區(qū)域之中，但仍舊存在 Wall 和 Wall-Shadow，對(duì)于 ANSYS 18.0之后的版本，用戶可以輕易的從 GUI 中判斷對(duì)應(yīng)的位置關(guān)系。因此，當(dāng)擋板由層狀的多種復(fù)合材料組成時(shí)，也可以有效的通過各自的法線方向，準(zhǔn)確的使用Shell多層殼導(dǎo)熱功能。

圖6 當(dāng)同時(shí)顯示 Wall 和 Wall-Shadow 時(shí)

可以通過顏色準(zhǔn)確判斷其位置關(guān)系

三、風(fēng)扇

在包含風(fēng)扇的散熱問題仿真中，通常可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行多種選擇。如果按照詳細(xì)的計(jì)算方式進(jìn)行仿真，F(xiàn)luent 也可以提供多種方法：常用的有穩(wěn)態(tài)的 MRF （多參考坐標(biāo)系）方法、瞬態(tài)的 SMM （滑移網(wǎng)格）方法和瞬態(tài)的 Overset （嵌套網(wǎng)格）方法，通過詳細(xì)的建模和仿真描述，既可以精確的計(jì)算各種風(fēng)扇形狀帶來的影響，也可以準(zhǔn)確的考慮風(fēng)扇的不同轉(zhuǎn)速與散熱效率之間的關(guān)系。

圖7 考慮完整幾何的風(fēng)扇模型

圖8 使用面簡(jiǎn)化過的風(fēng)扇邊界

當(dāng)然，F(xiàn)luent 也可以將風(fēng)扇簡(jiǎn)化，用一個(gè)面（Boundary）來代替。這樣一來，所有的風(fēng)扇屬性都會(huì)集中在該面上：如流量（速度）與增壓之間的關(guān)系、流速與旋轉(zhuǎn)角度等。使用簡(jiǎn)化的風(fēng)扇模型可以極大的減少網(wǎng)格量和計(jì)算量，但也會(huì)帶來相應(yīng)的精度損失。

四、格柵

和風(fēng)扇類似，格柵也可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行多種選擇。如果按照詳細(xì)的計(jì)算方式進(jìn)行仿真，那就必須要按照實(shí)際的幾何尺寸構(gòu)建格柵，并得到對(duì)應(yīng)的流體和固體區(qū)域。這樣做的方法會(huì)極大的增加網(wǎng)格數(shù)量，但是精度可以保證；與此同時(shí)，流體區(qū)域的選取就不能以格柵的位置作為出口邊界，需要額外計(jì)算區(qū)域的延伸才行。

圖9 任何電子設(shè)備的外殼上都必須使用格柵

當(dāng)然，格柵也可以通過多孔介質(zhì)的方式進(jìn)行簡(jiǎn)化，并輸入相應(yīng)的孔隙率、滲透系數(shù)、損失系數(shù)等。和風(fēng)扇類似，使用簡(jiǎn)化的格柵模型可以極大的減少網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算時(shí)間，但也會(huì)帶來相應(yīng)的精度損失。需要注意的是，如果將出口格柵的情況等效處理成一個(gè)完整的出口面，則不需要額外延伸流體計(jì)算區(qū)域，即出口選在格柵位置就可以。

五、硅膠

這一類設(shè)備從 Fluent 仿真的角度來看，與擋板很類似，都是厚度極小的三維實(shí)體，因此必須簡(jiǎn)化成二維薄殼。不同的是，硅膠通常都摻雜在固體與固體之間，因此可以采用薄壁方式（Thin Wall）或者殼單元（Shell Conduction）的方法進(jìn)行簡(jiǎn)化。

需要注意的是，當(dāng)硅膠兩側(cè)的兩個(gè)面簡(jiǎn)化成二維薄殼之后，要尤其注意未填充硅膠的部分，不能采用默認(rèn)的方法或放任不管，否則這些區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)零熱阻的情況（此時(shí)該區(qū)域的導(dǎo)熱性能就要優(yōu)于填充硅膠的區(qū)域），這是不合理的；這部分區(qū)域建議按照接觸熱阻的方法處理。

圖10 硅膠的厚度通常都非常薄

六、接觸熱阻

Fluent 標(biāo)準(zhǔn)界面中沒有直接的接觸熱阻設(shè)置 GUI 界面，通常的處理方法是在兩個(gè)面之間額外增加材料（并指定厚度），從而達(dá)到等效的結(jié)果。方法可以采用薄壁方式（Thin Wall）或者殼單元（Shell Conduction），整體上與硅膠的簡(jiǎn)化方式類似。

圖11 無厚度硅膠與空氣熱阻的等效方式

圖12 接觸熱阻的等效方法

七、塑料零件

在電子設(shè)備中還可能出現(xiàn)一類塑料零件，比如風(fēng)扇卡口、塑料螺釘?shù)?。?duì)于這一類塑料零件，建議按照不同于金屬件的另外一種思路處理。

對(duì)于電子散熱仿真，必須按照流固耦合共軛換熱問題進(jìn)行分析，因此流體區(qū)域和絕大多數(shù)的固體區(qū)域都建議劃分體網(wǎng)格。但對(duì)于塑料零件，則不建議對(duì)他們劃分體網(wǎng)格，合理的方法是選擇將他們（簡(jiǎn)化后）從流體區(qū)域中直接刪除，原因如下：

① 塑料件本身不發(fā)熱；

② 塑料件導(dǎo)熱性能也很差，可以認(rèn)為是絕熱；

③ 塑料件唯一可能的作用，就是在某些特殊的位置對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生影響。

所以在確認(rèn)某些零件是塑料件（或其他導(dǎo)熱性能差的材料）時(shí)，可以放心的刪除掉他們，不需要?jiǎng)澐煮w網(wǎng)格，對(duì)應(yīng)的流體邊界，則可以設(shè)置絕熱的壁面條件。

圖13 電子散熱問題中的塑料件