如何使用 Fluent 軟件做好電子產(chǎn)品的散熱問題?
一、寫在前面
在電子設(shè)備中,熱功率損失通常以熱能耗散的形式表現(xiàn),而任何具有電阻的元件都是一個(gè)內(nèi)部熱源。
電子設(shè)備是由大量的電子元件組成的,當(dāng)電子設(shè)備正常工作時(shí),其輸入功率要高于輸出功率,高出這部分功率則轉(zhuǎn)化為熱量耗散掉,如果這些熱量不能順利地導(dǎo)出,就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部高溫,高溫會(huì)導(dǎo)致元器件失效,單個(gè)元器件失效會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的失效。
在電子行業(yè),器件的環(huán)境溫度升高10 ℃時(shí),往往失效率會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí),這就是所謂的“10 ℃法則”。
每種器件失效前的平均時(shí)間是其所承受的應(yīng)力水平、熱應(yīng)力和化學(xué)結(jié)構(gòu)的綜合因素的統(tǒng)計(jì)函數(shù)。降低熱應(yīng)力能夠使失效率顯著地降低.
隨著軟件技術(shù)和計(jì)算機(jī)硬件的飛速發(fā)展,如今電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已進(jìn)入了面向并行工程的CAD/CAE/CAM時(shí)代,設(shè)計(jì)及評(píng)估人員都能夠依靠計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)更好的展開工作。
ANSYS 在解決電子系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)散熱設(shè)計(jì)方面有著最好的專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì),應(yīng)用專業(yè)的CFD計(jì)算軟件群,能夠在模型建模、快速的網(wǎng)格生成、強(qiáng)大的求解計(jì)算、完善的后處理等方面擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
二、電子散熱仿真中的幾何處理(SCDM)
ANSYS SpaceClaim Direct Modeler(簡(jiǎn)稱 SCDM)是基于直接建模思想的新一代3D建模和幾何處理軟件,可以提供給CAE分析工程師一種全新的CAD幾何模型的交互方式,從而顯著地縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期,大幅提升CAE分析的模型處理質(zhì)量和效率。
對(duì)于電子散熱問題,通常工程師需要處理大量固體電子元器件的幾何模型,而且這些器件大多不是同一種材料,因此還要考慮多個(gè)實(shí)體間的干涉與縫隙;同時(shí),工程師還需要獲取固體之間的流場(chǎng)區(qū)域,并根據(jù)不同的情況進(jìn)行幾何分類(如風(fēng)扇區(qū)域、格柵區(qū)域等)。
對(duì)于電子散熱仿真中紛繁復(fù)雜的幾何問題,SCDM可以結(jié)合自身特點(diǎn),高效的完成幾何修復(fù)與幾何簡(jiǎn)化的工作,從而使CAD設(shè)計(jì)與CAE仿真建立高速橋梁,完成仿真的第一步。
三、電子散熱仿真中的網(wǎng)格工具(Workbench Meshing)
Workbench Meshing 是ANSYS旗下應(yīng)用最為廣泛的網(wǎng)格劃分工具,該軟件具備有多物理場(chǎng)網(wǎng)格劃分的功能,可以在流體、結(jié)構(gòu)、電磁、顯示動(dòng)力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)等物理場(chǎng)仿真的流程中,出色的完成對(duì)應(yīng)的功能,劃分區(qū)分各自求解器特征的有針對(duì)性的網(wǎng)格。
對(duì)于基于ANSYS Fluent 的電子散熱問題仿真,Workbench Meshing也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇,它可以針對(duì)流體仿真的問題進(jìn)行高效準(zhǔn)確的網(wǎng)格劃分。
1. Workbench Meshing具備有簡(jiǎn)單高效的工作流程;
2. 當(dāng)Workbench Meshing與SCDM配合使用,可以快速生成共節(jié)點(diǎn)的體網(wǎng)格;
3. Workbench Meshing 可以快速生成混合網(wǎng)格,提升計(jì)算效率和仿真精度。
四、電子散熱仿真中的求解器(Fluent)
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換熱模型
自然界中最為常見的四種熱交換現(xiàn)象:熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)、熱輻射、相變換熱。
這些熱交換的問題,都是可以通過Fluent 軟件進(jìn)行仿真計(jì)算的。
通過之前幾何、網(wǎng)格兩個(gè)步驟,我們通常已經(jīng)得到了流體與固體的有限元網(wǎng)格,接下來,F(xiàn)luent 通過有限體積法進(jìn)行詳細(xì)的三維計(jì)算求解,流體區(qū)域求解傳熱方程和流動(dòng)方程,固體區(qū)域僅求解能量方程。
Fluent可以直接求解熱傳導(dǎo)問題和熱對(duì)流問題,只需要通常的網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)定即可。
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自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流(Natural and Force Convection)
在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中,自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流通常都是同時(shí)存在的。兩者產(chǎn)生影響的相對(duì)大小,我們通常可以用修正的弗勞德數(shù)Fr(與1的大小關(guān)系)來確定。
ANSYS Fluent 軟件具備計(jì)算自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流的功能,無論計(jì)算區(qū)域是封閉的空間還是開放的。當(dāng)然,F(xiàn)luent并沒有設(shè)計(jì)一個(gè)專門的選項(xiàng)來區(qū)分自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流,就如同上文中所介紹的,他們通常都是同時(shí)存在的,只是占據(jù)的比重不一致。
通常情況下,流體仿真工程師通過對(duì)密度的模型和重力條件進(jìn)行有區(qū)分的設(shè)定,來描述在流場(chǎng)中是否考慮自然對(duì)流;當(dāng)然,在這之外可能還需要額外的一些參考條件設(shè)定來配合才能生效。Fluent 提供多種密度模型來描述自然對(duì)流,比較常用的有以下幾種:
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Ideal gas 理想氣體
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Incompressible ideal gas 不可壓縮的理想氣體
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Boussinesq 波斯尼克密度模型
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熱輻射模型
Fluent 可以通過多種模型計(jì)算熱輻射。但其中適用于電子散熱仿真的模型,通常推薦使用S2S和DO兩種。
S2S原則上用于真空(零光學(xué)厚度)的熱輻射問題,因?yàn)樗鼪]有考慮介質(zhì)的散射、吸收等影響,屬于表面熱輻射問題。
按照通常的概念,電子散熱的區(qū)域的流體介質(zhì)幾乎都是空氣,而且空氣中的氧氣、氮?dú)獾入p原子分子對(duì)各個(gè)波長的熱輻射都近似“透明”(絕大部分熱輻射都會(huì)穿透雙原子分子)。因此,在電子散熱問題中,S2S是優(yōu)先選擇的熱輻射模型,它可以有效提升計(jì)算的精度,同時(shí)并不過大的增加計(jì)算的工作量。
DO熱輻射模型在電子散熱仿真中,應(yīng)用的時(shí)機(jī)相對(duì)較少。對(duì)比S2S模型,DO模型的計(jì)算原理更加細(xì)致,可以考慮所有介質(zhì)對(duì)熱輻射的影響,是精度更高的物理模型。但由于其需要輸入的材料屬性過多(且難以準(zhǔn)確獲?。?、計(jì)算時(shí)間較長,因此僅建議在一些復(fù)雜的散熱問題中使用(如:非灰體輻射、介質(zhì)中含多種氣體等)。
將輻射熱通量 與對(duì)流及導(dǎo)熱的傳熱速率進(jìn)行對(duì)比,當(dāng)二者數(shù)量級(jí)相當(dāng)時(shí),應(yīng)該考慮輻射效應(yīng)。
可以發(fā)現(xiàn):
1.考慮熱輻射后,電子產(chǎn)品的平均溫度會(huì)降低。
2.產(chǎn)品上方金屬箱蓋處受到熱輻射的影響,溫度較高;不考慮熱輻射時(shí),這部分溫度為最低。
Fluent 可以計(jì)算相變換熱,但通常要與多相流或者UDF連用,屬于Fluent 仿真中相對(duì)高級(jí)的問題,難度也更大,通常在電子散熱問題中不會(huì)涉及。
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電子器件發(fā)熱
Fluent 通過對(duì)固體計(jì)算區(qū)域添加能量源項(xiàng)的方式,來描述電子元器件的發(fā)熱情況,輸入的源項(xiàng)單位是W/m3。
當(dāng)然,對(duì)于不同的問題,各類電子元器件的發(fā)熱功率是不一樣的,大部分情況我們按照常數(shù)進(jìn)行分析;但有些發(fā)熱功率是時(shí)間的函數(shù),有些則是空間的函數(shù),還有一些是其他變量(如溫度、濕度等)的函數(shù)。
為此,F(xiàn)luent 可以通過分布文件(Profile)或UDF(用戶自定義函數(shù))的方式解決上述問題,原則上可以輸入任意已知類型的發(fā)熱功率。
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壁面邊界條件:
固體壁面在電子散熱問題中往往扮演著重要的角色,因此,絕大多數(shù)的電子期間散熱問題都必須要處理固體壁面(wall)問題
Fluent 中提供三種不同的壁面處理方式,能夠根據(jù)問題的不同來進(jìn)行有針對(duì)性的仿真簡(jiǎn)化,從而達(dá)到提高工作效率的目的。
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方法一:對(duì)固體區(qū)域劃分網(wǎng)格
在固體域求解能量方程,需要對(duì)網(wǎng)格區(qū)域劃分網(wǎng)格。這是最精確方法,流體與固體交界處會(huì)使用耦合熱邊界條件進(jìn)行計(jì)算,只需要工程師賦予正確的材料屬性,其他全部由Fluent自行計(jì)算得到。
不足:固體區(qū)域通常很薄,在其中劃分體網(wǎng)格會(huì)極大的增加網(wǎng)格的總數(shù)。
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方法二:薄壁模型(Thin Wall)
至劃分流體區(qū)域的網(wǎng)格,固體壁面等效為一個(gè)面邊界(boundary)。該方法可以有效解決薄固體區(qū)域帶來的網(wǎng)格增加問題,工作效率極高,僅需要在確定固體材料的基礎(chǔ)上輸入厚度值即可
不足:只能考慮法向的熱傳導(dǎo),不能計(jì)算切向熱交換。
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方法三:殼導(dǎo)熱模型 (Shell Conduction)
與薄壁模型(Thin Wall)類似,殼導(dǎo)熱模型在方法二的基礎(chǔ)上打開選項(xiàng)Shell Conduction進(jìn)行設(shè)定,不同的地方是殼導(dǎo)熱可以計(jì)算熱量在切向與法向的傳遞,而且可以多層固體區(qū)域一起計(jì)算。
殼導(dǎo)熱模型的本質(zhì)是增加一層虛擬網(wǎng)格,而且這一層網(wǎng)格是Fluent單獨(dú)額外計(jì)算的,工程師無法通過任何已知的命令來獲取網(wǎng)格的相關(guān)信息。
殼導(dǎo)熱模型在不增加網(wǎng)格數(shù)量的情況下,仍舊能夠相對(duì)準(zhǔn)確的計(jì)算壁面處的熱傳遞問題,可以認(rèn)為是電子散熱問題的首選。
不足:與某些模型連用時(shí)可能會(huì)有額外的限制(如:FMG初始化等)。
五:公開課-如何使用Fluent軟件做好電子產(chǎn)品的散熱問題
使用Fluent進(jìn)行電子散熱的仿真分析流程較為清晰,但環(huán)節(jié)步驟多,本文限于篇幅暫未對(duì)各類電子散熱仿真的難點(diǎn)進(jìn)行一一解析。
為了讓更多的學(xué)員學(xué)習(xí)到Fluent電子散熱仿真分析的重難點(diǎn)問題,筆者受仿真秀邀約,特定于2020年9月2日晚8點(diǎn)在仿真秀直播間為大家?guī)?/span>《如何使用 Fluent 軟件做好電子產(chǎn)品的散熱問題?》專題公開課。
直播課程中,張老師將著重介紹fluent散熱仿真中的強(qiáng)制對(duì)流問題。該問題是電子散熱中較為常見的情況,課程將會(huì)對(duì)強(qiáng)制對(duì)流問題中涉及到仿真步驟、物理模型、簡(jiǎn)化方法、收斂判定等情況進(jìn)行詳細(xì)的介紹,并通過一個(gè)案例實(shí)操來進(jìn)行系統(tǒng)的說明。
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