风冷机箱主动散热案例仿真分析

作者白堤，公众号工程师转型圈的主编

一、问题描述

如下，一个电子机箱，机箱外壳四周四个面封闭，一侧有风扇开口，另一侧为出风口，主要结构包含轴流风扇、变压器、CPU、IC芯片、电容、TO芯片等，以上电子元器件固定在PCB板上，PCB再固定在机箱外壳上。此问题涉及到风扇的简化、风扇的定义、开口板的简化、各向异性PCB定义、芯片材料定义等。

二、建立模型

1、模型准备

打开STP模型，已经把螺钉、非发热元器件等不必要的零部件删除。去除详细风扇模型，在风扇位置处创建封闭端盖，以便后面定义风扇。为了减少网格，针对开口板进行简化，把开口板上的孔拉伸去除，以便后面定义打孔板。PCB使用软件的印刷电路板功能简化。 

2、检查模型

针对准备好的模型，使用【检查模型】进行检查，显示状态成功，模型正常。

3、创建项目

项目名称	项目名称0707，其他保持默认
单位系统	选择SI，并更改温度单位为℃
分系类型	外部，排除不具备流动条件的腔；选中固体内传导；选中辐射，并更改环境温度25℃；选中重力，把Y方向分量设置为-9.81，X和Z方向分量为0。
默认流体	空气，其他保持默认
默认固体	选择合金里的不锈钢302
默认壁面	选择白体壁面，其他保持默认
初始条件	热动力参数里温度改为25℃，固体参数里初始固体温度改为25℃

4、调整计算域

除了风扇出风口流出1倍机箱宽度外，其他五各方向都按照对应方向上0.5倍机箱宽度。 

5、定义固体材料

对模型中各个零部件进行材料赋予：

零件	材料
组成TO芯片零部件die、pin、case、hs	硅、铜、新建材料0.2w/mk、铝冲压1060
IC芯片	新建材料10w/mk
电容	新建材料12w/mk
CPU	新建材料10w/mk
CPU散热器	铝挤6061
变压器	铜、铁
机箱外壳	铁

6、定义边界条件

开口板直接与大气连接，设置其边界条件为环境压力。 

7、定义风扇

选择封闭端盖的内表面指定为外部出口风扇，由于该风扇工程库里没有，需要根据如下的PQ曲线的创建一个新的风扇。首先在项目属性页中，定义风扇的类型、直径、转速等信息，然后在表和数据页定义PQ曲线。

m3/s	Pa
0	37.30103
5.73E-05	37.17001
0.000189	37.03924
0.000263	36.77746
0.000333	36.31939
0.000386	35.73032
0.000443	34.81419
0.000534	33.30899
0.000866	26.56883
0.001046	23.29674
0.001202	20.81
0.001288	19.76296
0.001375	18.91225
0.00149	18.06151
0.001736	16.29462
0.001921	14.78949
0.002003	13.80789
0.002085	12.49908
0.002171	10.86309
0.002241	9.161635
0.002298	7.787399
0.002376	5.824185
0.002466	3.33745
0.002597	0

8、定义热源

零件	热功耗（W）
Die1-6	9
IC1-4	4.8
Cap1-3	4.5
CPU	12
COIL0-2	5
COIL	5

9、定义辐射表面

针对各零部件设置辐射系数：

零件	辐射系数
PCB	0.7
散热器	0.8
所有元器件	0.7
机箱外壳	0.8

10、定义接触热阻

由于CPU与散热器表面不平整，需要增加导热硅脂来填充缝隙。定义CPU与散热器接触的面定义接触热阻。 

11、定义目标

由于CPU的温度和变压器的温度是散热设计的关键，所以把其设置为目标，且用于控制目标收敛。 

12、定义网格

先设置全局网格，采用自动网格划分，细化等级为4，再针对所有的电子元器件和PCB进行局部网格划分。 

三、求解计算

在正式求解之前，首先划分网格，根据网格的结果再调考虑局部网格划分设置是否合理。网格划分判断没问题后，再进行求解。 

四、仿真结果

1、切面云图

CPU的温度85℃

变压器的温度为79℃

2、表面云图

3、流动迹线 

五、小结

通过以上一个典型的风冷机箱案例，展示被动散热仿真模型的建立过程。得到了的CPU的温度以及变压器的温度，但总体温度还是偏高，还有很大的优化空间，比如，增加CPU散热器底板厚度、筋的高度甚至可以嵌铜，变压器的方向转动90°，调整电容的位置等。

文章作者：白堤，硕士，就职于国内某知名企业，主要从事热设计仿真工作。大佬们都还在努力，更何况自己还只是个学习者。希望通过微信公众号 工程师转型圈 抛砖引玉，结交更多志同道合的朋友。仿真之路漫漫其修远矣，我将上下而求索。