采用Boussinesq方法进行电子产品自然散热仿真

自然对流是指当气体或液体等流体受热时，由于其密度比周围流体小，导致受热流体上升，周围的冷流体下降，形成流动。这种流动是由浮力产生的，浮力是由于受热流体密度与周围流体密度之间的差异而产生的。这就是自然对流散热的传热方式。例如，冬天在火堆烤火时，火堆上方的空气受热，密度变得更小，因此导致热空气上升，冷空气下降，形成一个对流。

其中，h是平均换热系数，单位是W/(m^2*K)，T∞为环境温度。自然对流换热系数与流体的速度强相关，并且也会随着温度发生变化，因此虽然公式写得如此简单，但在实际操作当中，需要通过数值仿真才能确定自然对流系数。以下是一些常见介质的对流换热系数(包括了自然对流和强制对流），对于一些简单的模型，或许能用来做一个粗略的估算。

强制风冷虽然能有效解决散热问题，但因为其会带来噪音问题，以及对风扇寿命的顾虑，成本增加等，采用自然散热仍然是首选。因此在电子散热系统的设计中，了解自然对流的原理对于设计能够在系统的不同部分之间高效且有效地传递热量至关重要。自然散热模拟广泛应用于以下场景：

LED照明：LED（发光二极管）在运行期间会产生热量，如果这种热量不能得到适当的散热，就会导致性能下降和寿命缩短。自然对流模拟可以用于优化LED照明系统的设计，包括散热器、散热片和其他冷却组件。

功率电子学：功率电子元件（如晶体管和电压调节器）在运行期间会产生热量，需要冷却以确保可靠的性能。自然对流模拟可用于优化冷却解决方案的设计，包括散热器和其他组件，以实现最大的冷却效率。

汽车电子：现代汽车依赖于各种电子系统，包括发动机管理、娱乐和安全系统。这些系统在运行期间会产生热量，自然对流模拟可用于优化这些系统的冷却，以确保可靠的性能和寿命。

航空电子：飞机和航天器中的电子系统在极端环境下工作，包括高温和低压。自然对流模拟可用于优化这些系统的冷却，并确保在这些条件下的可靠运行。

通信：通信设备，如基站和网络交换机，在运行期间会产生热量，需要冷却以确保可靠的性能。自然对流模拟可用于优化这些系统的冷却，包括散热器、风扇和其他组件，以实现最大的冷却效率。

电子产品的自然散热问题大多是空气流速不高，温度变化不大的问题，当温度场对速度场的影响很小时，可以用Boussinesq模型将空气描述为不可压缩流动，其体积力的变化是通过对参考温度下的空气密度进行线性近似求解得到的，对浮力驱动对流采用 Boussinesq 近似的好处是：流体流动方程中的非线性减少,问题的迭代次数减少,因此更容易计算问题的数值解。Boussinesq模型非常适合用于方案迭代快速的电子产品热设计中。

需要注意的是，Boussinesq模型的适用场景是流体的密度变化较小的情况，

对于流体的密度变化较大的情况，用 Boussinesq模型进行近似就会产生较大的误差。一般来说流体的密度相对变化率小于1%，则认为Boussinesq模型是适用的：

通过热膨胀系数表达式，可以转化为温度变化适用条件：

即在室温条件下，空气温度变化小于15℃，水的温度变化小于2℃，认为Boussinesq模型是适用的。针对室内电子产品的自热散热问题，我们更关注产品的温度场而不是空气的速度场，且由于空气的流动速度较慢，速度场对温度场的影响较小，绝大部分情况都可以用Boussinesq模型近似。

本案例模拟的是一个典型的电子产品自然散热问题，模型采用的是一个网络下载的虚拟模型，旨在做自然散热模拟的设置演示,实际产品会复杂许多。求解器采用的是Altair的通用流体求解器Acusolve, 前处理采用Altair Simlab.

几何模型：

在产品的外部建立一个足够大的空气域，产品尺寸为40*100*230，空气域尺寸为600*600*1000。（单位：mm）

完整模型及外部空气域

几何模型（下载自GRABCAD）

参数设置：

自然散热问题中，辐射传热的占比是不可忽视的，因此需要将辐射打开。本例采用的辐射模型是Enclosure，发射率设置为0.7。热源共计4.58W，分布于产品的各个电子元器件中。空气域底部为入口为速度边界，设置一个很低的驱动速度20mm/s。空气域顶部为压力出口，数值设置为0。四周设置为Wall，温度为环境温度25℃。打开热流和辐射开关。

结果分析：

仿真只是热设计的工具，掌握相关的传热知识并对仿真结果做出合理的分析才是关键的步骤。完成初步方案的仿真后，还应该从以下几个方面进行分析并提出改进意见：

热量产生和分布：首先需要了解电子设备中哪些组件或部件会产生热量，并确定它们的位置和分布情况。这些热源可以包括处理器、图形芯片、电源等。了解热量产生和分布的特点可以帮助确定散热的重点和策略。

散热机制：了解不同的散热机制对于热量传递的影响是重要的。常见的散热机制包括热传导、对流和辐射。在热设计中需要选择合适的散热方法，例如利用散热器、热管等来加强热量的传递和散发

散热材料和组件：选择合适的散热材料和组件也是热设计的重要方面。散热材料的热导率和导热性能对于热传递的效率至关重要。散热器、石墨片等散热组件的设计和选用也需要考虑热量分布和设备的尺寸约束。

对于自然散热的问题，往往需要在产品设计的初期进行初步评估，确认产品是否明显是自然散热可以通过的方案。如果跳过这个步骤直接进行后续的设计，是低效且不负责任的行为。

      例如产品设计初期定义的功率为95W，而产品的体积为150 mm*300mm*45mm。经过简单的核算，该产品的功率密度达到约50W/L，远超过了自然散热方案可以解决的范围（约25W/L）此时就应该及时调整产品的散热方案为强制风冷，或者修改产品的功耗方案。如果在设计初期没有进行合理的初步评估，直接按照自然散热的方案进行，那么到样机测试时会发现温度问题无法解决，项目组需要重新评估和设计产品，这样就导致了物力人力的浪费，对产品的交付周期会产生不可挽回的负面影响。