如何使用 Fluent 软件做好电子产品的散热问题？

一、写在前面

在电子设备中，热功率损失通常以热能耗散的形式表现，而任何具有电阻的元件都是一个内部热源，如图1所示。

图1 热量产生示意图

电子设备是由大量的电子元件组成的，当电子设备正常工作时，其输入功率要高于输出功率，高出这部分功率则转化为热量耗散掉，如果这些热量不能顺利地导出，就会产生内部高温，高温会导致元器件失效，单个元器件失效会导致整个设备的失效。

图2是美国空军对导致电子设备失效的原因的调查，调查结果表明导致元器件失效的主要原因就是高温。

图2 美国空军对导致电子设备失效的原因的调查

在电子行业，器件的环境温度升高10 ℃时，往往失效率会增加一个数量级，这就是所谓的“10 ℃法则”。

每种器件失效前的平均时间是其所承受的应力水平、热应力和化学结构的综合因素的统计函数。降低热应力能够使失效率显著地降低，见表1。

表1 高低温时部分元器件失效率及比值

随着软件技术和计算机硬件的飞速发展，如今电子产品的设计已进入了面向并行工程的CAD／CAE／CAM时代，设计及评估人员都能够依靠计算机仿真技术更好的展开工作。

ANSYS 在解决电子系统的系统级散热设计方面有着最好的专业技术优势，应用专业的CFD计算软件群，能够在模型建模、快速的网格生成、强大的求解计算、完善的后处理等方面拥有独特的优势。

图 基于ANSYS Fluent 的电子散热问题分析基本工作流程

二、电子散热仿真中的几何处理（SCDM）

ANSYS SpaceClaim Direct Modeler（简称 SCDM）是基于直接建模思想的新一代3D建模和几何处理软件，可以提供给CAE分析工程师一种全新的CAD几何模型的交互方式，从而显著地缩短产品设计周期，大幅提升CAE分析的模型处理质量和效率。

图 SCDM 新一代3D建模和几何处理软件

对于电子散热问题，通常工程师需要处理大量固体电子元器件的几何模型，而且这些器件大多不是同一种材料，因此还要考虑多个实体间的干涉与缝隙；同时，工程师还需要获取固体之间的流场区域，并根据不同的情况进行几何分类（如风扇区域、格栅区域等）。

对于电子散热仿真中纷繁复杂的几何问题，SCDM可以结合自身特点，高效的完成几何修复与几何简化的工作，从而使CAD设计与CAE仿真建立高速桥梁，完成仿真的第一步。

图 使用SCDM修复和简化的电子器件几何模型

图  SCDM软件快速获取流体仿真区域

三、电子散热仿真中的网格工具（Workbench Meshing）

Workbench Meshing 是ANSYS旗下应用最为广泛的网格划分工具，该软件具备有多物理场网格划分的功能，可以在流体、结构、电磁、显示动力学、水动力学等物理场仿真的流程中，出色的完成对应的功能，划分区分各自求解器特征的有针对性的网格。

对于基于ANSYS Fluent 的电子散热问题仿真，Workbench Meshing也是一个不错的选择，它可以针对流体仿真的问题进行高效准确的网格划分。

1. Workbench Meshing具备有简单高效的工作流程；

2. 当Workbench Meshing与SCDM配合使用，可以快速生成共节点的体网格；

3. Workbench Meshing 可以快速生成混合网格，提升计算效率和仿真精度。

图 固体区域表面网格

图 剖面网格显示（共节点混合网格）

四、电子散热仿真中的求解器（Fluent）

• 换热模型

自然界中最为常见的四种热交换现象：热对流、热传导、热辐射、相变换热

图 四种传热模型

这些热交换的问题，都是可以通过Fluent 软件进行仿真计算的。

通过之前几何、网格两个步骤，我们通常已经得到了流体与固体的有限元网格，接下来，Fluent 通过有限体积法进行详细的三维计算求解，流体区域求解传热方程和流动方程，固体区域仅求解能量方程。

Fluent 可以直接求解热传导问题和热对流问题，只需要通常的网格划分与边界条件设定即可。

图 Fluent中求解热传导问题

图 Fluent中求解热对流问题

• 自然对流与强制对流（Natural and Force Convection）

在大多数工业应用中，自然对流和强制对流通常都是同时存在的。两者产生影响的相对大小，我们通常可以用修正的弗劳德数Fr（与1的大小关系）来确定。

ANSYS Fluent 软件具备计算自然对流与强制对流的功能，无论计算区域是封闭的空间还是开放的。当然，Fluent并没有设计一个专门的选项来区分自然对流与强制对流，就如同上文中所介绍的，他们通常都是同时存在的，只是占据的比重不一致。

通常情况下，流体仿真工程师通过对密度的模型和重力条件进行有区分的设定，来描述在流场中是否考虑自然对流；当然，在这之外可能还需要额外的一些参考条件设定来配合才能生效。Fluent 提供多种密度模型来描述自然对流，比较常用的有以下几种：

• Ideal gas 理想气体

• Incompressible ideal gas  不可压缩的理想气体

• Boussinesq  波斯尼克密度模型

图 封闭空间的自然对流模型

• 热辐射模型
  

Fluent 可以通过多种模型计算热辐射。但其中适用于电子散热仿真的模型，通常推荐使用S2S和DO两种。

S2S原则上用于真空（零光学厚度）的热辐射问题，因为它没有考虑介质的散射、吸收等影响，属于表面热辐射问题。

按照通常的概念，电子散热的区域的流体介质几乎都是空气，而且空气中的氧气、氮气等双原子分子对各个波长的热辐射都近似“透明”（绝大部分热辐射都会穿透双原子分子）。因此，在电子散热问题中，S2S是优先选择的热辐射模型，它可以有效提升计算的精度，同时并不过大的增加计算的工作量。

图 S2S 模型中视线因子计算方法

DO热辐射模型在电子散热仿真中，应用的时机相对较少。对比S2S模型，DO模型的计算原理更加细致，可以考虑所有介质对热辐射的影响，是精度更高的物理模型。但由于其需要输入的材料属性过多（且难以准确获取）、计算时间较长，因此仅建议在一些复杂的散热问题中使用（如：非灰体辐射、介质中含多种气体等）。

图 DO模型中离散坐标系的求解方法

热辐射问题中求解的输运方程：

热辐射模型使用的时机：

将辐射热通量   与对流及导热的传热速率进行对比，当二者数量级相当时，应该考虑辐射效应。

图 算例中是否考虑热辐射结果对比

通过上图可以发现：

1.考虑热辐射后，电子产品的平均温度会降低。

2.产品上方金属箱盖处受到热辐射的影响，温度较高；不考虑热辐射时，这部分温度为最低。

Fluent 可以计算相变换热，但通常要与多相流或者UDF连用，属于Fluent 仿真中相对高级的问题，难度也更大，通常在电子散热问题中不会涉及。

• 电子器件发热

Fluent 通过对固体计算区域添加能量源项的方式，来描述电子元器件的发热情况，输入的源项单位是W/m3。

图 电子元器件发热

当然，对于不同的问题，各类电子元器件的发热功率是不一样的，大部分情况我们按照常数进行分析；但有些发热功率是时间的函数，有些则是空间的函数，还有一些是其他变量（如温度、湿度等）的函数。

为此，Fluent 可以通过分布文件（Profile）或UDF（用户自定义函数）的方式解决上述问题，原则上可以输入任意已知类型的发热功率。

图 某型汽车新能源电池单个电芯发热功率随电芯温度变化情况

图 单个电芯发热功率随电芯温度变化UDF编程代码（节选）

• 壁面边界条件：

固体壁面在电子散热问题中往往扮演着重要的角色，因此，绝大多数的电子期间散热问题都必须要处理固体壁面（wall）问题

Fluent 中提供三种不同的壁面处理方式，能够根据问题的不同来进行有针对性的仿真简化，从而达到提高工作效率的目的。

• 方法一：对固体区域划分网格

在固体域求解能量方程，需要对网格区域划分网格。这是最精确方法，流体与固体交界处会使用耦合热边界条件进行计算，只需要工程师赋予正确的材料属性，其他全部由Fluent自行计算得到。

不足：固体区域通常很薄，在其中划分体网格会极大的增加网格的总数。

• 方法二：薄壁模型（Thin Wall）  

至划分流体区域的网格，固体壁面等效为一个面边界（boundary）。该方法可以有效解决薄固体区域带来的网格增加问题，工作效率极高，仅需要在确定固体材料的基础上输入厚度值即可

不足：只能考虑法向的热传导，不能计算切向热交换。

• 方法三：壳导热模型 （Shell Conduction） 

与薄壁模型（Thin Wall）类似，壳导热模型在方法二的基础上打开选项Shell Conduction进行设定，不同的地方是壳导热可以计算热量在切向与法向的传递，而且可以多层固体区域一起计算。

壳导热模型的本质是增加一层虚拟网格，而且这一层网格是Fluent单独额外计算的，工程师无法通过任何已知的命令来获取网格的相关信息。

壳导热模型在不增加网格数量的情况下，仍旧能够相对准确的计算壁面处的热传递问题，可以认为是电子散热问题的首选。

不足：与某些模型连用时可能会有额外的限制（如：FMG初始化等）。

五：我的学习建议

使用Fluent进行电子散热的仿真分析流程较为清晰，但环节步骤多，本文限于篇幅暂未对各类电子散热仿真的难点进行一一解析。

为了让更多的学员学习到Fluent电子散热仿真分析的重难点问题，笔者受仿真秀邀约，特定于2020年9月2日晚8点在仿真秀直播间为大家带来《如何使用 Fluent 软件做好电子产品的散热问题？》专题公开课。

直播课程中，张老师将着重介绍fluent散热仿真中的强制对流问题。该问题是电子散热中较为常见的情况，课程将会对强制对流问题中涉及到仿真步骤、物理模型、简化方法、收敛判定等情况进行详细的介绍，并通过一个案例实操来进行系统的说明。

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