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用Fluent進行電子器件散熱仿真分析,這些經驗不可不知

電子工程師 ? 來源:lp ? 2019-03-15 15:41 ? 次閱讀

在使用Fluent軟件進行電子器件散熱仿真分析的過程中,我們不可避免的要對實際的各種零部件進行簡化和處理。不管是幾何層面、網格層面還是求解器設定層面,不同的部件都有相應的處理方法。下面就針對散熱仿真中的一些專用的設備(如風扇、格柵、擋板等)進行描述。

值得一提的是,如果條件允許,仍舊強烈推薦通用的電子散熱問題使用 Icepak 軟件進行仿真計算,因為其在各個方面的工作效率都遠高于Fluent(比如常用散熱設備的處理,Icepak 已經具備了基于對象的求解方法)。

一、散熱翅片

散熱翅片又稱翅片式散熱器,是氣體或液體熱交換器中使用最為廣泛的一種換熱設備,同時也是 Fluent仿真中電子散熱問題最為常見的設備。

圖1 散熱翅片是最為常見的散熱設備之一

對于散熱翅片,通常不需要做額外的處理,也不建議做模型的簡化。

如下圖所示,由于翅片本身在法向上尺寸較小,其他兩個方向尺度又大,所以部分工程師很容易聯想到通過無厚度壁面的方式,對翅片進行簡化,從而降低網格數量。但是散熱翅片本身直接與發(fā)熱體相連,溫度梯度大,對整個流場的溫度分布影響也較大,所以通常情況下,這是不允許的。

圖2 散熱翅片的兩種處理方式

圖3 散熱翅片的兩種處理方式(網格情況)

圖4 散熱翅片的兩種處理方式(求解結果)

通過測試算例可知,采用直接實體建模的工況與Shell殼導熱工況存在巨大的數據結果差別。翅片無厚度簡化過工況的散熱效果,要遠遠強于實體建模的情況(差別在4-5K左右)。

二、薄壁導流板

薄壁導流板簡稱擋板,其主要作用是場導向,終極目標是將散熱區(qū)域的流體流動最高效的應用起來,以達到調整流動方向、降低渦流(回流)和壓降、增強高溫區(qū)域流動的目的。

圖5 仿真中的格柵與擋板

擋板的本質仍舊是三維實體,并且和散熱翅片類似,厚度遠小于其他兩個方向的尺度。因此,如果對該類薄壁幾何劃分三維網格將會極大的增加網格數量,在工程實踐中難度較大、效率較低。與散熱翅片不同的是,大部分的擋板本身并不用于導熱,也不與發(fā)熱體直接接觸,因此建議做無厚度幾何處理。

處理后的幾何從三維實體變成了二維的 Baffle 面, Fluent 求解器是可以支持這種無厚度壁面類型的。Baffle 面通常用一種內部邊界 Wall 來表示,這類邊界雖然兩側都在同一個流體區(qū)域之中,但仍舊存在 Wall 和 Wall-Shadow,對于 ANSYS 18.0之后的版本,用戶可以輕易的從 GUI 中判斷對應的位置關系。因此,當擋板由層狀的多種復合材料組成時,也可以有效的通過各自的法線方向,準確的使用Shell多層殼導熱功能。

圖6 當同時顯示 Wall 和 Wall-Shadow 時

可以通過顏色準確判斷其位置關系

三、風扇

在包含風扇的散熱問題仿真中,通常可以根據不同的需求進行多種選擇。如果按照詳細的計算方式進行仿真,Fluent 也可以提供多種方法:常用的有穩(wěn)態(tài)的 MRF (多參考坐標系)方法、瞬態(tài)的 SMM (滑移網格)方法和瞬態(tài)的 Overset (嵌套網格)方法,通過詳細的建模和仿真描述,既可以精確的計算各種風扇形狀帶來的影響,也可以準確的考慮風扇的不同轉速與散熱效率之間的關系。

圖7 考慮完整幾何的風扇模型

圖8 使用面簡化過的風扇邊界

當然,Fluent 也可以將風扇簡化,用一個面(Boundary)來代替。這樣一來,所有的風扇屬性都會集中在該面上:如流量(速度)與增壓之間的關系、流速與旋轉角度等。使用簡化的風扇模型可以極大的減少網格量和計算量,但也會帶來相應的精度損失。

四、格柵

和風扇類似,格柵也可以根據不同的需求進行多種選擇。如果按照詳細的計算方式進行仿真,那就必須要按照實際的幾何尺寸構建格柵,并得到對應的流體和固體區(qū)域。這樣做的方法會極大的增加網格數量,但是精度可以保證;與此同時,流體區(qū)域的選取就不能以格柵的位置作為出口邊界,需要額外計算區(qū)域的延伸才行。

圖9 任何電子設備的外殼上都必須使用格柵

當然,格柵也可以通過多孔介質的方式進行簡化,并輸入相應的孔隙率、滲透系數、損失系數等。和風扇類似,使用簡化的格柵模型可以極大的減少網格數量和計算時間,但也會帶來相應的精度損失。需要注意的是,如果將出口格柵的情況等效處理成一個完整的出口面,則不需要額外延伸流體計算區(qū)域,即出口選在格柵位置就可以。

五、硅膠

這一類設備從 Fluent 仿真的角度來看,與擋板很類似,都是厚度極小的三維實體,因此必須簡化成二維薄殼。不同的是,硅膠通常都摻雜在固體與固體之間,因此可以采用薄壁方式(Thin Wall)或者殼單元(Shell Conduction)的方法進行簡化。

需要注意的是,當硅膠兩側的兩個面簡化成二維薄殼之后,要尤其注意未填充硅膠的部分,不能采用默認的方法或放任不管,否則這些區(qū)域將出現零熱阻的情況(此時該區(qū)域的導熱性能就要優(yōu)于填充硅膠的區(qū)域),這是不合理的;這部分區(qū)域建議按照接觸熱阻的方法處理。

圖10 硅膠的厚度通常都非常薄

六、接觸熱阻

Fluent 標準界面中沒有直接的接觸熱阻設置 GUI 界面,通常的處理方法是在兩個面之間額外增加材料(并指定厚度),從而達到等效的結果。方法可以采用薄壁方式(Thin Wall)或者殼單元(Shell Conduction),整體上與硅膠的簡化方式類似。

圖11 無厚度硅膠與空氣熱阻的等效方式

圖12 接觸熱阻的等效方法

七、塑料零件

在電子設備中還可能出現一類塑料零件,比如風扇卡口、塑料螺釘等。對于這一類塑料零件,建議按照不同于金屬件的另外一種思路處理。

對于電子散熱仿真,必須按照流固耦合共軛換熱問題進行分析,因此流體區(qū)域和絕大多數的固體區(qū)域都建議劃分體網格。但對于塑料零件,則不建議對他們劃分體網格,合理的方法是選擇將他們(簡化后)從流體區(qū)域中直接刪除,原因如下:

① 塑料件本身不發(fā)熱;

② 塑料件導熱性能也很差,可以認為是絕熱;

③ 塑料件唯一可能的作用,就是在某些特殊的位置對流場產生影響。

所以在確認某些零件是塑料件(或其他導熱性能差的材料)時,可以放心的刪除掉他們,不需要劃分體網格,對應的流體邊界,則可以設置絕熱的壁面條件。

圖13 電子散熱問題中的塑料件

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原文標題:用Fluent進行電子器件散熱仿真分析,這些經驗不可不知(請收藏)

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