Fluent电子器件散热仿真分析：资深工程师的经验分享

前言

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）。

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。

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。

图2 散热翅片的两种处理方式

图3 散热翅片的两种处理方式（网格情况）

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）。

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。

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。

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

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。

图7 考虑完整几何的风扇模型

图8 使用面简化过的风扇边界

当然，Fluent 也可以将风扇简化，用一个面（Boundary）来代替。这样一来，所有的风扇属性都会集中在该面上：如流量（速度）与增压之间的关系、流速与旋转角度等。使用简化的风扇模型可以极大的减少网格量和计算量，但也会带来相应的精度损失。

格栅

和风扇类似，格栅也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，那就必须要按照实际的几何尺寸构建格栅，并得到对应的流体和固体区域。这样做的方法会极大的增加网格数量，但是精度可以保证；与此同时，流体区域的选取就不能以格栅的位置作为出口边界，需要额外计算区域的延伸才行。

图9 任何电子设备的外壳上都必须使用格栅

当然，格栅也可以通过多孔介质的方式进行简化，并输入相应的孔隙率、渗透系数、损失系数等。和风扇类似，使用简化的格栅模型可以极大的减少网格数量和计算时间，但也会带来相应的精度损失。需要注意的是，如果将出口格栅的情况等效处理成一个完整的出口面，则不需要额外延伸流体计算区域，即出口选在格栅位置就可以。

硅胶

这一类设备从 Fluent 仿真的角度来看，与挡板很类似，都是厚度极小的三维实体，因此必须简化成二维薄壳。不同的是，硅胶通常都掺杂在固体与固体之间，因此可以采用薄壁方式（Thin Wall）或者壳单元（Shell Conduction）的方法进行简化。

需要注意的是，当硅胶两侧的两个面简化成二维薄壳之后，要尤其注意未填充硅胶的部分，不能采用默认的方法或放任不管，否则这些区域将出现零热阻的情况（此时该区域的导热性能就要优于填充硅胶的区域），这是不合理的；这部分区域建议按照接触热阻的方法处理。

图10 硅胶的厚度通常都非常薄

接触热阻

Fluent 标准界面中没有直接的接触热阻设置 GUI 界面，通常的处理方法是在两个面之间额外增加材料（并指定厚度），从而达到等效的结果。方法可以采用薄壁方式（Thin Wall）或者壳单元（Shell Conduction），整体上与硅胶的简化方式类似。

图11 无厚度硅胶与空气热阻的等效方式

图12 接触热阻的等效方法

塑料零件

在电子设备中还可能出现一类塑料零件，比如风扇卡口、塑料螺钉等。对于这一类塑料零件，建议按照不同于金属件的另外一种思路处理。

对于电子散热仿真，必须按照流固耦合共轭换热问题进行分析，因此流体区域和绝大多数的固体区域都建议划分体网格。但对于塑料零件，则不建议对他们划分体网格，合理的方法是选择将他们（简化后）从流体区域中直接删除，原因如下：

① 塑料件本身不发热；

② 塑料件导热性能也很差，可以认为是绝热；

③ 塑料件唯一可能的作用，就是在某些特殊的位置对流场产生影响。

所以在确认某些零件是塑料件（或其他导热性能差的材料）时，可以放心的删除掉他们，不需要划分体网格，对应的流体边界，则可以设置绝热的壁面条件。

图13 电子散热问题中的塑料件

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