用Fluent进行电子器件散热仿真分析，这些经验不可不知（请收藏）【转发】

2019-03-15 by:CAE仿真在线来源:互联网

作者|张杨流体高级工程师仿真秀专栏作者

在使用Fluent软件进行电子器件散热仿真分析的过程中,我们不可避免的要对实际的各种零部件进行简化和处理。不管是几何层面、网格层面还是求解器设定层面,不同的部件都有相应的处理方法。下面就针对散热仿真中的一些专用的设备(如风扇、格栅、挡板等)进行描述。

值得一提的是,如果条件允许,仍旧强烈推荐通用的电子散热问题使用 Icepak 软件进行仿真计算,因为其在各个方面的工作效率都远高于Fluent(比如常用散热设备的处理,Icepak 已经具备了基于对象的求解方法)。

一、散热翅片

散热翅片又称翅片式散热器,是气体或液体热交换器中使用最为广泛的一种换热设备,同时也是 Fluent仿真中电子散热问题最为常见的设备。

用Fluent进行电子器件散热仿真分析，这些经验不可不知（请收藏）【转发】fluent分析图片2

图1 散热翅片是最为常见的散热设备之一

对于散热翅片,通常不需要做额外的处理,也不建议做模型的简化。

如下图所示,由于翅片本身在法向上尺寸较小,其他两个方向尺度又大,所以部分工程师很容易联想到通过无厚度壁面的方式,对翅片进行简化,从而降低网格数量。但是散热翅片本身直接与发热体相连,温度梯度大,对整个流场的温度分布影响也较大,所以通常情况下,这是不允许的。

用Fluent进行电子器件散热仿真分析，这些经验不可不知（请收藏）【转发】fluent分析图片3

图2 散热翅片的两种处理方式

用Fluent进行电子器件散热仿真分析，这些经验不可不知（请收藏）【转发】fluent分析图片4

图3 散热翅片的两种处理方式(网格情况)

用Fluent进行电子器件散热仿真分析，这些经验不可不知（请收藏）【转发】fluent分析图片5

图4 散热翅片的两种处理方式(求解结果)

通过测试算例可知,采用直接实体建模的工况与Shell壳导热工况存在巨大的数据结果差别。翅片无厚度简化过工况的散热效果,要远远强于实体建模的情况(差别在4-5K左右)。

二、薄壁导流板

薄壁导流板简称挡板,其主要作用是场导向,终极目标是将散热区域的流体流动最高效的应用起来,以达到调整流动方向、降低涡流(回流)和压降、增强高温区域流动的目的。

用Fluent进行电子器件散热仿真分析，这些经验不可不知（请收藏）【转发】fluent分析图片6

图5 仿真中的格栅与挡板

挡板的本质仍旧是三维实体,并且和散热翅片类似,厚度远小于其他两个方向的尺度。因此,如果对该类薄壁几何划分三维网格将会极大的增加网格数量,在工程实践中难度较大、效率较低。与散热翅片不同的是,大部分的挡板本身并不用于导热,也不与发热体直接接触,因此建议做无厚度几何处理。

处理后的几何从三维实体变成了二维的 Baffle 面, Fluent 求解器是可以支持这种无厚度壁面类型的。Baffle 面通常用一种内部边界 Wall 来表示,这类边界虽然两侧都在同一个流体区域之中,但仍旧存在 Wall 和 Wall-Shadow,对于 ANSYS 18.0之后的版本,用户可以轻易的从 GUI 中判断对应的位置关系。因此,当挡板由层状的多种复合材料组成时,也可以有效的通过各自的法线方向,准确的使用Shell多层壳导热功能。

用Fluent进行电子器件散热仿真分析，这些经验不可不知（请收藏）【转发】fluent分析图片7

图6 当同时显示 Wall 和 Wall-Shadow 时

可以通过颜色准确判断其位置关系

三、风扇

在包含风扇的散热问题仿真中,通常可以根据不同的需求进行多种选择。如果按照详细的计算方式进行仿真,Fluent 也可以提供多种方法:常用的有稳态的 MRF (多参考坐标系)方法、瞬态的 SMM (滑移网格)方法和瞬态的 Overset (嵌套网格)方法,通过详细的建模和仿真描述,既可以精确的计算各种风扇形状带来的影响,也可以准确的考虑风扇的不同转速与散热效率之间的关系。