Fluent案例_电子芯片散热_1

----图文教程----

机箱内PCB板上的芯片是一个75W的热源，其上连接一个散热翅片帮助其散热，机箱竖直放置，周边封闭，上下通风，环境温度为45℃，三种固体材料的材料属性如图中所示，现对机箱内部的散热情况进行分析_

[注意]

◆机箱竖直放置，主要是说明方向，因为自然对流需要考虑重力问题，并不是指放在地上，机箱底部和顶部都是可以通风的，或者可以理解为机箱竖直悬挂；

模型前处理不做过多介绍，采用六面体网格，模型中包含一个流体区域，三个固体区域，在生成网格时使其完全共节点，本模型主要依赖于自然对流进行散热，底部采用压力进口边界条件(Pressure inlet)，顶部采用压力出口边界条件(Pressure outlet)，考虑重力_

模型在Fluent内的具体设置流程如下：

▊ General设置

模型导入后进行Scale设置，Check网格质量，进行相关设置并开启重力_

▊ 模型选择

在涉及关于热问题的时候需要开启能量方程，本案例中的自然对流为层流，关于自然对流是层流还是湍流，在仿真之前通过计算瑞利数Ra或雷诺数Re进行判定_

问：什么是自然对流呢？

答：当流体加热后密度发生时，在重力驱动下由密度差引起的流动，就是自然对流。

▊ 材料设定

关于流体，材料为空气，在计算自然对流时可以选择incompressible-ideal-gas或者boussinesq(布辛涅司克)_

关于固体材料的设置，在Fluent Database中有铜的材料参数Copper(Cu)，可以直接复 制出来，对于芯片和PCB板的材料，材料库中是没有的，可以在Copper(Cu)的基础上更改参数然后创建，修改时可能需要删除Copper(Cu)原有的化学式，具体参数如图中所示_

[注意]

◆incompressible-ideal-gas为不可压缩理想气体，其密度与温度成反比，与压力无关，本案例中压力变化非常小，所以选择此项比较合适；

◆当温差较小时，密度也可以设置为Boussinesq，并设置密度为常数；

▊ 操作环境设置

可通过Physics_Solver_Operating Conditiones进入工作条件设置，设置Operating Pressure(通常被称为操作压力或参考压力)，开启重力并设置方向与大小，设置流体的工作密度_

[注意]

◆图中的Boussinesq Parameters默认即可，在流体选择Boussinesq时才会用到，本模型流体采用的是incompressible-ideal-gas(不可压缩理想气体)，需要设置Operating Density(工作密度)，即当前压力与温度下的气体密度，可自行尝试计算；

◆操作压力(即参考压力)一般设置为一个标准大气压即可，关于Fluent中各种压力的意义与彼此之间的关系后续再行分享，比如当地大气压、参考压力、表压、总压、相对总压、绝对压力、动压、静压等；

▊ 区域设置

Fluid(fluid)、solid_board(solid)、solid_heatsink(solid)本身并不发热，仅参与传热，双击打开分别选择各自的材料即可_

而芯片区域solid_heatsource(solid)不仅参与传热，本身还以75W的功率产生热量，需要勾选Source Terms(源项)并进行设置，通过Edit_增加一个源项，可通过自行计算后选择constant(定值)进行设置，或者通过输入函数表达式进行自动求解计算_

[注意]

◆在Fluent中源项设置的单位为[W/m^3]，即需要发热功率75W除以该发热源的体积，可通过测量体积后直接计算得到该值并选择constant(定值)填入该数值，本模型中最终计算的值为635000W/m^3；

◆通过输入函数表达式进行自动求解计算的方法为：

1、可以直接手动输入图中的函数，其中solid_heatsource为发热源即芯片区域所在Cell Zone的名称；

2、可将手动改写和通过右侧的Functions或Locations等插入函数相结合，通过右侧的Funcitions_Reduction_Volume可插入体积函数，通过Locations_Cell Zones_选择发热源即芯片区域所在Cell Zone并插入；

3、体积函数是支持多个区域计算的，本模型中只需要选择一个区域即可，所以需要手动删除体积函数中多余的逗号和点等；

◆通过函数计算的时候，函数输入完成后可点击右侧的刷新按钮以显示计算后的数值；

▊ 边界条件设置

设置压力入口边界条件(总表压为0Pa，温度为45℃)，压力出口边界条件(总表压为0Pa，温度为45℃)，Well(壁面)边界保持默认即可_

[注意]

◆可通过_Domain_Units_修改单位，本模型中的Tempture(温度)单位采用℃；

◆出口边界条件的温度意义为当出现回流时，回流流体的温度为45℃；

◆Well边界采用默认设置即可，默认设置里包含了壁面对流体流动方面的信息，也包含了壁面对换热方面的信息，在篇尾解析部分会详细介绍；

▊ 设置监测

在散热翅片附近位置创建一个点，大概位置如图中所示，并对该点的平均温度进行监测，以便于观察求解计算的收敛情况，具体操作如图中所示_

同时可通过_Volume Report_Max_进行全局最高温度的监测_

[注意]

◆关于点的创建也可以通过_Domain_Surface_Create_Point来完成；

▊ Methods设置

Pressure项选择Body Force Weighted(即体积力加权的离散格式)，其他设置如图中所示，在计算自然对流时Pressure只能选择Body Force Weighted或PRESTO！，选择其他选项会在某些壁面位置出现非物理解的现象_

▊ 残差设置

可依据具体情况设置残差，以防止计算结束过早_

▊ 初始化

模型初始化_Initialization_Hybird Initialization_

▊ 计算求解

默认是采用伪瞬态的方法，利用自动时间步长来调整求解进度，如上图中左侧所示，为加快求解速度，可自行设置时间步长，具体的时间步长设置如上图中右侧所示，其中固体部分仅计算传热，线性较强，时间步长可以设置较大，流体部分还需要计算流动，时间步长设置较小，两者可以设置约千倍的关系，设置迭代步数并求解计算_

▊ 疑难解析

问：相较于冷场的流动仿真，涉及到热的问题时主要区别在哪？

✦涉及到热的问题时首先一点是需要开启能量方程；

✦进出口边界在设置时多了一些关于热方面的信息，通过Thermal模块来设置温度；

✦在涉及到热问题时，模型中可能会出现固体区域，比如本模型中的芯片、散热翅片等，还将芯片所在区域设置成了热源；

✦在流体与固体区域之间的壁面，或者两侧有流体的壁面，在读取网格文件时，Fluent会自动创建well和well_shadow，这种well称为内部边界，其Thermal热边界条件中有Heat Flux(恒定热通量)、Temperature(温度)、Couple(耦合)，默认情况下，Coupled(耦合)边界条件会自动平衡well两侧的能量；

✦当壁面只有一边存在固体域或流体域时，这种well称为外部边界，当壁面为外部边界时，其Thermal热边界条件有Heat Flux(恒定热通量)、Temperature(温度)、Convection(对流)、Radiation(辐射)、Mixed(混合)、Via System Coupling(通过系统耦合)、Via Mapped Interface(通过映射交界面)；