STAR-CCM | 显卡散热仿真

本文利用STAR-CCM 演示显卡散热的仿真过程。

注：本案例来自STAR-CCM 官方教程。

问题描述

日常工作生活中，台式电脑及工作站的使用已经非常普遍了。我们经常能看到机箱内会有几个风扇，在电脑工作的时候，它们在不停的旋转。这些风扇的作用是加快机箱内的空气流动，帮助其中的电子元器件散热。本文主要对电脑显卡的散热问题进行仿真计算。

几何模型如下图所示。主要包括机箱、显卡、进口风扇、出口风扇等部件。

△ 几何模型

求解设置

这部分内容主要包括：区域分配、物理模型设置、网格划分以及求解器设置等内容。

区域分配

1. 导入几何文件，选择File > Import > Import Surface Mesh，然后在Open对话框中打开文件：graphicsCardAndEnclosure.x_t；
2. 右击Geometry > Parts > Air Case节点，并选择Assign Parts to Regions；
3. 在Assign Parts to Regions对话框中设置如下：

1. 右击Geometry > Parts > GPU Chip，然后在Assign Parts to Regions对话框中设置如下图所示：

1. 展开Interfaces节点，对交界面重命名，如下表所示：

物理模型设置

首先是固体区域的物理模型设置：

1. 创建物理连续体Physics Continuum；
2. 将Physics 1重命名为Solid Components；
3. 设置物理模型如下图所示：

△ 固体物理属性设置

1. 展开Continua > Solid Components > Models > Multi-Part Solid节点，右击Solids节点，然后选择Select Mixture Components；
2. 在Select Mixture Components对话框，展开Material Databases > Standard > Solids节点；
3. 从材料列表里面随意选四种材料，至于选什么材料不重要，因为后面会修改材料属性参数；
4. 点击Apply然后选择Close；
5. 重命名材料为ABS, Aluminum, Alumina, and Silicon，如下图所示：

△ 重命名材料

1. 编辑Multi-Part Solid节点，设置材料属性如下列表格所示：

1. 右击Solids节点，然后选择Select Mixture Components；
2. 在Select Mixture Components对话框中，展开Material Databases > Standard > Solids节点，随便选一种材料，然后点击Apply，再点Close；
3. 重命名新材料为FR-4 Copper；
4. 展开FR-4 Copper > Material Properties节点，设置材料属性如下表所示：

1. 在FR-4 Copper > Material Properties节点中，选择Thermal Conductivity > Anisotropic节点，激活Allow Legacy Method；
2. 选择Thermal Conductivity节点，然后设置Method为Anisotropic (Legacy)。

其次是空气的物理模型设置：

1. 创建物理连续体，并命名为Air；
2. 设置空气的物理模型如下图所示：

△ 空气域物理模型设置

开启Boussinesq模型，需要设置流体域的热膨胀系数：

1. 展开Continua > Air > Models > Gas > Air > Material Properties > Thermal Expansion Coefficient节点；
2. 选择Constant节点，设置热膨胀系数为3.33E-3 /K；
3. 调整重力方向，选择Continua > Air > Reference Values > Gravity节点，设置Value为[0.0, -9.81, 0.0] m/s^2。

为区域指定物理模型

因为这个问题中既有固体又有流体，所以要为固体和流体分别指定物理模型。

1. 选择Regions > Air节点，然后设置Physics Continuum为Air；
2. 选择Regions > Solid Components节点，然后设置Physics Continuum为Solid Components。

设置边界类型

1. 展开Regions > Air > Boundaries节点；
2. 选择Air Inlet.Inlet节点，设置类型为Stagnation Inlet；
3. 选择Air Outlet.Outlet节点，设置类型为Pressure Outlet。

指定材料属性

1. 展开Regions > Solid Components > Physics Values > Material Part Groups节点；
2. 选择Aluminum节点，并点击Custom Editor，就是属性面板Parts右边的三个点按钮；
3. 然后在Aluminum对话框中，设置如下图所示：

1. 选择Alumina节点，然后设置如下图所示：

1. 选择Silicon节点，然后设置如下图所示：

1. 选择ABS节点，然后设置如下图所示：

1. 选择FR-4 Copper节点，设置如下图所示：

设置热源

1. 选择Regions > Solid Components，激活Allow Per-Part Values，此时，在Solid Components节点下会出现一个新节点Part Subgroupings；
2. 展开Solid Components > Part Subgroupings > Subgrouping 1节点，Subgroup 1节点包含构成 Solid Components 区域的所有部件，这些部件没有分配给它们的热源；
3. 重命名Subgroup 1为Default；
4. 右击Subgrouping 1节点，然后选择New，会出现一个新的节点，叫做Subgroup 1；
5. 重命名Subgroup 1为GPU Chip；
6. 选择GPU Chip，然后将GPU Chip边界添加到Objects列表中，具体如下图所示：

1. 再创建一个Subgroup，设置属性如下图所示：

1. 展开Solid Components > Physics Conditions节点；
2. 选择Energy Source Option节点，设置Energy Source Option为Total Heat Source；
3. 展开Solid Components > Physics Values节点；
4. 选择Heat Source节点，设置方法为By Part Subgroup；
5. 展开Heat Source > By Part Subgroup节点；
6. 编辑By Part Subgroup节点，设置如下表所示：

设置PCB板各向异导热属性

1. 展开Regions > Solid Components > Physics Values > Anisotropic Thermal Conductivity > FR-4 Copper > Anisotropic Thermal Conductivity节点；
2. 编辑Principal Tensor节点，设置属性如下表所示：

设置风扇交界面

这里比较有意思，我们不需要散热风扇真的转起来，只需要设置风扇的P-Q曲线就行，具体步骤如下：

1. 展开Interfaces节点；
2. 选择Case Fans节点，并设置类型为Fan Interface；
3. 激活Allow Per-Contact Values，此时，Case Fans节点下会出现一个新的节点Contact Subgroupings；
4. 展开Case Fans > Contact Subgroupings > Subgrouping 1节点；
5. 重命名Subgroup 1为Inlet Fan；
6. 右击Subgrouping 1节点，选择New，新建一个Subgroup；
7. 重命名Subgroup 1为Outlet Fan；
8. 选择Outlet Fan，添加对象为Air Outlet/Air Case > Outlet Downstream/Outlet Upstream；
9. 选择Case Fans > Orientation，设置模式为Manual；
10. 右击Orientation，然后选择Reverse Contacts；
11. 在Reverse Contacts对话框中，展开文件夹；
12. 机箱出口出风扇的流向有问题，需要修改。选择Air Outlet/Air Case > Outlet Downstream/Oultet Upstream，然后点击OK；
13. 选择Case Fans > Physics Conditions > Fan Curve Type节点，然后设置Curve Type为Polynomial；
14. 展开Case Fans > Physics Values节点；
15. 选择Fan Curve Polynomial节点，激活Specify by Part Subgroup，此时By Contact Subgroup节点就出现在了Fan Curve Polynomial中；
16. 展开Fan Curve Polynomial > By Contact Subgroup > Inlet Fan节点；
17. 选择Fan Curve Polynomial节点，然后点击三个点按钮；
18. 在Fan Curve Polynomial对话框中设置如下图所示：

1. 设置风扇操作转速Operating Rotation Rate为1200.0 rpm；
2. 设置风扇性能数据对应的转速Data Rotation Rate为800.0 rpm；

进口风扇性能曲线与出口风扇相同，这里把风扇的数据从进口拷贝到出口：

1. 右击Inlet Fan > Fan Curve Polynomial节点，选择Copy；
2. 右击Outlet Fan > Fan Curve Polynomial节点，选择Paste；

要在界面的任一侧获得正确的热导率，就要将模拟中的所有剩余界面都设置为接触界面：

1. 选择除风扇交界面意外的所有界面，设置类型为Contact Interface。

网格设置

1. 右击Geometry > Operations节点，然后选择New > Mesh > Automated Mesh；
2. 在Create Automated Mesh Operation对话框中，设置如下图，点击OK关闭窗口；

1. 展开Automated Mesh > Meshers节点；
2. 选择Surface Remesher节点，激活Perform Compatibility Refinement选项；
3. 编辑Operations > Automated Mesh > Default Controls > Core Mesh Optimization节点，设置参数如下表所示；

1. 编辑Operations > Automated Mesh > Thin Mesher，设置参数如下表所示；

1. 编辑Operations > Automated Mesh > Default Controls节点，设置参数如下表所示；

自定义网格控制

1. 右击Geometry > Parts节点，选择New Shape Part > Block；
2. Create/Edit Block Part对话框中，设置如下图所示，然后点击OK；

1. 右击Operations > Automated Mesh > Custom Controls，然后选New > Volumetric Control；
2. 编辑Volumetric Control节点，设置如下图所示；

1. 右击Custom Controls，然后选择New > Part Control；
2. 编辑Part Control节点，然后设置如下图所示；

1. 右击Custom Controls，选择New > Surface Control；
2. 编辑Surface Control节点，然后设置如下图所示；

1. 在Mesh工具条中点击Generate Volume Mesh，生成体网格，网格划分完成后如下图所示。
2. 
   

求解器设置

1. 编辑Solvers节点，设置参数如下表所示；

1. 选择Stopping Criteria > Maximum Steps节点，设置最大迭代步数为500；
2. 在 Solution工具条中点击Run。

分析结果

1. 机箱内速度云图：

△ 机箱内速度云图

1. 机箱最大温度监测：

1. 显卡温度云图：

△ 显卡温度云图

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