基于ANSYS Fluent 的电子散热问题仿真方法介绍

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了Fluent在电子散热仿真中的应用，包括热辐射模型的选择、电子器件发热的描述以及壁面边界条件的处理方法。S2S模型是优先选择的热辐射模型，适用于大多数电子散热问题，而DO模型适用于更复杂的散热问题。Fluent通过添加能量源项来描述电子元器件的发热情况，可以通过分布文件或UDF解决不同发热功率的问题。在固体壁面处理方面，介绍了三种方法，包括划分固体区域网格、薄壁模型和壳导热模型，其中壳导热模型是首选。文章最后总结了Fluent在电子散热仿真中的流程，并指出了部分初学者可能面临的难度。

电子行业从上世纪六十年代开始起步，发展至二十一世纪的今天，产品已经从开始时的实现简单功能到现今的完成复杂功能（例如从最初的加法机到如今的万亿数量级的超算机）。另一方面，产品复杂性导致的元器件集成度越来越高，使得今天的电子工程师面对巨大的设计及制造上的挑战。

一、电子设备热设计的必要性

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。

热仿真能够在样品和产品开始之前确定和消除热问题，借助热仿真可以减少设计成本、提高产品的一次成功率，改善电子产品的性能和可靠性，减少设计、生产、再设计和再生产的费用，缩短高性能电子设备的研制周期。热分析软件能够比较真实的模拟系统的热状况，应用热分析软件，在设计过程中就能预测到各元器件的工作温度值，这样就可纠正不合理的布排，取得良好的布局，从而可以缩短设计的研制周期。其次，经过若干次的改进设计，设计工程师可以对电子设备进行有效的热控制，使它在规定的温度极限内工作，从而可以提高电子设备的可靠性。

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3 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4 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5 使用SCDM修复和简化的电子器件几何模型

图6  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7 固体区域表面网格

图8 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9 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10 Fluent中求解热传导问题

图11 Fluent中求解热对流问题

自然对流与强制对流

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12 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13 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14 DO模型中离散坐标系的求解方法

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15 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16 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17 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18 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）。

小结：

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，对于部分初学者可能有一定难度，本文先于篇幅也暂未对各类电子散热仿真的难点进行一一解析，如果大家希望了解更多Fluent的内容，请持续关注仿真秀。

作者：张杨 流体高级工程师 仿真秀专栏作者

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