基于Simdroid电子散热模块的电子设备机箱散热设计与优化
一、背景介绍
热设计就是通过合理的散热方式保证良好的热环境，确保电子设备可靠的工作。随着电子技术的迅速发展，电子设备的结构越来越复杂，且越来越趋于小型化，散热问题成为了影响设备可靠性的重要因素。据统计，电子设备有超过一半的故障是由过热引起的，并且故障率会随温度升高成指数式增长。为了有效避免电子设备机箱内温度过高，影响电子器件正常工作，在结构设计时就需要考虑散热。传统方法是根据指标要求和工程经验设计出样品，做出样机后用环境试验测试，根据测试发现的问题进行设计改进，不断循环得到合格产品，其研制周期和成本都普遍较高。
图1 典型电子设备机箱结构（图片来自网络）
机箱机柜装配了大量电控组件，这些组件在使用过程中散发大量热量，如果不及时有效地将这些热量散发到环境中，将导致设备内元器件或部件温度过高，影响设备运行性能，甚至引发器件损坏，降低整体设备的稳定性和寿命。目前电子设备的散热方式可分为自然散热、风冷散热、液冷散热、热电制冷和热管冷却等。
风冷散热一般指采用风扇、空调等设备对机箱机柜进行散热，其主要特点：
（1）风冷系统简单可靠、安装方便、故障率低，在北方部分城市的冬季还可以利用自然冷源对机柜进行散热；
（2）风冷散热的本质是将设备产生的热量转移到环境中，成本远低于其他散热方式；
（3）散热效率相对较低。风冷散热通过机箱内散热器及外表面对机箱内电子设备散热，散热效率较低；
（4）散热风扇噪声较大，影响使用者体验。
图2 典型风冷系统结构图（图片来自网络）
液冷冷却通常是指利用液体冷却介质对机柜进行冷却，液冷冷却系统通常包括直接水冷系统、水冷背板系统和环路热管系统等，其主要特点：
（1）散热效率高。液冷散热功率可达200 W/cm2，是风冷散热的20 倍；
（2）噪音低。液冷系统一般通过液冷器中循环流动的冷却液带走热量，在热源端不会引入额外噪声；液冷系统的主要噪声源为水泵，通过选取低噪音水泵配合集中隔音处理，可很好地降低整体系统的噪声；
（3）液冷冷却主要存在安全风险高、易污染、安装复杂且成本高等问题，采用水冷柜冷却方式时，要注意防水漏水，一旦漏水会对机箱设备造成严重影响。
图3 典型液冷机箱结构图（图片来自网络）
散热方式多种多样，产品设计研发团队需要根据实际情况综合考虑，选择合适的方式。另外，现代数值仿真模拟技术为复杂电子机箱设备的散热性能评估提供了全新的手段，可有效降低传统的从样品试验到设备优化方法带来的时间周期和经济成本。本文以风冷散热方案为例，采用数值模拟的方式，在各类机箱设计或实际运行过程中对其内部不同结构方式、不同流体控制方式、材料传热性能、运行工况及太阳辐射等热影响因素进行全面模拟，通过对机箱内外部热量传播方式的分析和温度分布及速度场的仿真计算，优化机箱内冷却风道设计，加快散热速度，降低内部温升，提高设备的可靠性。
二、散热仿真解决方案
基于Simdroid电子散热模块，可以实现对各类户外或室内电子机箱机柜柜体结构及内部电子设备的全三维建模与散热特性仿真分析计算，并通过丰富的可视化后处理技术，对计算结果进行全面直观的展示。
采用Simdroid电子散热模块实施电子机箱机柜热仿真分析的优势体现在：
（1）丰富的智能元件库及多样化定形定位操作可实现快速建模。软件自带的智能元件库包含多系列风扇、散热片、芯片、热阻、体热源、面热源、电路板及多孔板等电子机柜热分析常用要素，可通过界面拖拽或数据操作便捷完成各零部件的形状和位置确定，同时支持元件库的自定义拓展。
（2）类型丰富及可自定义拓展的材料数据库，便于用户直接加载材料物性为元件赋值。
（3）跨尺度结构的网格划分。软件基于非结构化的笛卡尔网格，可快速完成复杂三维平面模型与复杂三维曲面模型的正六面体网格剖分，自动处理模型的重叠或覆盖，针对不同尺度元件可实施各向异性的局部加密操作，更适合机柜内不同尺度元件细节特征的网格剖分需求。
（4）结构热与流体耦合技术及丰富的热仿真分析边界条件。软件具备流体及结构热物理场耦合计算能力，支持多种方式的热源及壁面换热条件定义，可进行独立的固体域传热分析或流体结构共轭传热分析计算。
（5）丰富的辐射模型。软件包含太阳辐射及丰富的热辐射模型，满足户内户外设备从内部到外部多样化传热方式的全面模拟。
（6）面向设计需求的结果呈现。多元化的后处理技术支持图片、曲线、动画、数据等形式输出计算结果，以及同一场景下多分析变量的同步显示。
（7）批处理功能可对箱体和内部元件的几何、热特性以及其他边界进行参数化设置，批量计算，从而加快工程师的热设计迭代工作。
图4 热设计示意图
1、仿真流程搭建
1）几何建模。建立电子设备机箱计算模型。
图 5 电子机箱建模
2）材料参数设定。为空气、芯片和PCB板等定义材料属性。
图 6 材料参数设定
3）流场与热边界条件设置。设置风扇参数、芯片的体热属性等。
图7 流场与热边界条件设置
4）求解参数设置。对湍流模型、辐射模型、环境参数等进行求解设置。
图 8 求解参数设置定义
5）网格划分。采用非结构网格六面体单元对流体部分与固体部分模型进行离散化。
图 9 网格划分
2、仿真结果查看
分别查看温度云图、速度云图和速度矢量分布，根据对仿真结果的分析，优化热设计方案。
图10 温度分布云图
图11 多截面场变量分布云图
图12 速度流线
图13 机箱内局部速度矢量
图14 元件表面换热系数
图15 结果自动统计与导出
三、电子散热仿真的应用
近年来，数值仿真技术结合电子产品行业热设计经验，对产品中的各元件进行参数化、模块化建模，进行快速高效的热分析，已产生大规模应用于电子消费品、机房等场景的热仿真分析软件，大大降低了产品研发设计的成本，几乎成为了热设计行业必备的研发工具。同时，由于实验测试仅能监控有限点位，而仿真软件则可以监控产品内任意位置在任意时刻的物理量变化情况，因而可以更全面地了解产品的物理量变化情况，使设计更加高效便捷。
四、关于Simdroid电子散热模块
Simdroid电子散热模块是一款针对电子器件和设备的专用热仿真软件，由北京云道智造科技有限公司独立开发，具有自主知识产权。软件内置电子产品专用零部件模型库，支持用户通过“搭积木”的方式快速建立电子系统的热分析模型，并利用成熟稳定的算法计算流动与传热问题，实现对电子系统的热可靠性分析。电子散热分析模块可成熟应用在通讯制造业、电子元件制造业、军工以及航空航天等工业中。在产品设计初期，工程师能够以更加智能的方式创建仿真模型，对系统设计方案进行快速评估，识别潜在设计风险。
电子散热模块的前处理功能具备电子设备的智能原件模型（包括：立方体、斜面、平面流动阻尼、平面（可建孔）、机箱/薄壁机箱、热源、孔、组合体、平面热源、圆柱体、电路板、轴流风扇、棱柱、芯片、平面风扇、管道、散热器、开口流动、离心风扇、流动阻尼、鼓风机、空调、半导体制冷器、平面区域、回风面、监控点、多孔板、出风面、体积区域、双热阻封装模型、热网络模型），能够快速准确地完成各种电子散热场景的建模。同时，前处理具备基础几何模型、典型电子器件模型、以及基于元件热源特性和阻尼特性的简化模型，用户可在CAD模型上添加热源和热边界，实现复杂设备中的流动传热分析。软件具备主流CAD软件生成的复杂几何模型导入接口，可利用ECXML文件导入FloTHERM或Icepak软件的几何数据。
电子散热模块具备非结构化六面体网格剖分功能，支持数亿量级网格单元数量。软件能够采用非连续的多面体网格剖分技术实现cutcell网格；支持局部加密网格和设置边界层网格；具备半自动网格剖分技术，自动识别并调整固体边界网格密度；支持网格统计与网格质量检测。
电子散热模块具备层流与湍流求解功能，湍流模型具备k-e、k-omega（SST）、增强型与代数湍流模型，可进行稳态与瞬态散热分析。软件能够计算热传导、自然对流、液冷与强迫风冷、热辐射与太阳辐射问题，可处理多种不同材料的固体间热传导；求解器可支持自动添加初始场，具备物理量监测点、检测区域与计算控制等通用的求解参数设置。
电子散热模块具备物理量的切片、云图、等值面、流线形式的可视化后处理功能，可统计所有元件的温度、传热量和流量数据；支持所有智能模型的温度、导热、对流、辐射传热量、流量等物理数据的读取，并可导出为Excel 文件。
软件支持主流操作系统，例如Windows7、Windows10系列版本和Linux版本（如麒麟、鲲鹏）等；支持国产硬件系统，适配X86和ARM硬件架构。访问Simapps，申请试用Simdroid电子散热模块。
五、关于Simdroid
Simdroid（中文名“伏图”）是云道智造自主研发的通用多物理场仿真PaaS平台，具备自主可控的隐式结构、显式动力学、流体、热、低频电磁、高频电磁、多体动力学等通用求解器，支持多物理场耦合仿真。在统一友好的环境中为仿真工作者提供前处理、求解分析和后处理工具。同时，作为仿真PaaS平台，其内置的APP开发器支持用户以无代码化的方式便捷封装参数化仿真模型及仿真流程，将仿真知识、专家经验转化为可复用的仿真APP。访问Simapps，了解更多及申请Simdroid试用。
