用Fluent進行電子器件散熱仿真分析，這些經(jīng)驗不可不知（請收藏）【轉(zhuǎn)發(fā)】

2019-03-15 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

作者|張楊流體高級工程師仿真秀專欄作者

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(wǎng)格層面還是求解器設(shè)定層面,不同的部件都有相應(yīng)的處理方法。下面就針對散熱仿真中的一些專用的設(shè)備(如風(fēng)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(shè)備的處理,Icepak 已經(jīng)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(shè)備,同時也是 Fluent仿真中電子散熱問題最為常見的設(shè)備。

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圖1 散熱翅片是最為常見的散熱設(shè)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(lián)想到通過無厚度壁面的方式,對翅片進行簡化,從而降低網(wǎng)格數(shù)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。

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圖2 散熱翅片的兩種處理方式

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圖3 散熱翅片的兩種處理方式(網(wǎng)格情況)

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圖4 散熱翅片的兩種處理方式(求解結(jié)果)

通過測試算例可知,采用直接實體建模的工況與Shell殼導(dǎo)熱工況存在巨大的數(shù)據(jù)結(jié)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(dǎo)流板

薄壁導(dǎo)流板簡稱擋板,其主要作用是場導(dǎo)向,終極目標(biāo)是將散熱區(qū)域的流體流動最高效的應(yīng)用起來,以達到調(diào)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。

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圖5 仿真中的格柵與擋板

擋板的本質(zhì)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(wǎng)格將會極大的增加網(wǎng)格數(shù)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(dǎo)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(nèi)部邊界 Wall 來表示,這類邊界雖然兩側(cè)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(yīng)的位置關(guān)系。因此,當(dāng)擋板由層狀的多種復(fù)合材料組成時,也可以有效的通過各自的法線方向,準(zhǔn)確的使用Shell多層殼導(dǎo)熱功能。

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圖6 當(dāng)同時顯示 Wall 和 Wall-Shadow 時

可以通過顏色準(zhǔn)確判斷其位置關(guān)系

三、風(fēng)扇

在包含風(fēng)扇的散熱問題仿真中,通?？梢愿鶕?jù)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(biāo)系)方法、瞬態(tài)的 SMM (滑移網(wǎng)格)方法和瞬態(tài)的 Overset (嵌套網(wǎng)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(fēng)扇形狀帶來的影響,也可以準(zhǔn)確的考慮風(fēng)扇的不同轉(zhuǎn)速與散熱效率之間的關(guān)系。

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圖7 考慮完整幾何的風(fēng)扇模型

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圖8 使用面簡化過的風(fēng)扇邊界

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

四、格柵

和風(fēng)扇類似,格柵也可以根據(jù)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(gòu)建格柵,并得到對應(yīng)的流體和固體區(qū)域。這樣做的方法會極大的增加網(wǎng)格數(shù)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。

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圖9 任何電子設(shè)備的外殼上都必須使用格柵

當(dāng)然,格柵也可以通過多孔介質(zhì)的方式進行簡化,并輸入相應(yīng)的孔隙率、滲透系數(shù)、損失系數(shù)等。和風(fēng)扇類似,使用簡化的格柵模型可以極大的減少網(wǎng)格數(shù)量和計算時間,但也會帶來相應(yīng)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(shè)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(dāng)硅膠兩側(cè)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(rèn)的方法或放任不管,否則這些區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)零熱阻的情況(此時該區(qū)域的導(dǎo)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。

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圖10 硅膠的厚度通常都非常薄

六、接觸熱阻

Fluent 標(biāo)準(zhǔn)界面中沒有直接的接觸熱阻設(shè)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(jié)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。