一文get电子产品散热仿真（内含案例）

林丽 2023年3月14日浏览：1692 评论：1 收藏：4

导读

我们团队的劳模—汪工，又创作了新的案例，在汪工的基础上，我增添了一些文字内容。本文由浅入深介绍了电子产品散热仿真，结合文中案例，相信你能很快get如何利用Altair Simlab+Acusolve完成一个散热仿真。关注本公众号“水木人CAE”，后台发送“风扇散热”即可下载案例文件（simlab格式文件）。

为什么要做散热仿真？

电子产品热设计，其目的包括但不限于：

保护内部电子元器件（例如芯片，电容等）；控制产品表面温度不至于让消费者有明显的发烫感受；电池安全问题...

可见，电子产品的散热设计对产品的质量，良好的消费体验甚至安全性都有至关重要的影响, 对于热量这种看不见摸不着（仅凭感知）的东西，在设计环节，数值仿真的应用至关重要。

三种散热路径

在高中的物理课本中，我们就学过三种热传递路径——即热传导conduction, 热辐射radiation,对流convection。如下图所示，通过烤火这个常见的场景，形象的解释了这三种不同的传热路径。

物理课本上的热传递路径

同样，以一台古老的手机（看字是索爱手机）为例，热传递路径也无外乎这三种。其中，电池和芯片是主要的热源。

不同的对流散热方式

热辐射和热传导主要和材料属性和结构设计相关，在材料和结构设计难以满足散热要求的情况下，我们还可以改变对流方式。根据对流的方式不同，我们可以将散热设计分为两种：被动散热与主动散热。

被动散热（自然对流）

即自然对流的方式散热，主要应用在对温度控制要求较低的电子元器件、或者热流密度相对较低的低功耗器材以及部件之中。当产品的热流密度很大，通过自然对流的方式不足以解决散热问题时可以通过主动散热的方式来解决。

主动散热（强制风冷）

即强制对流的方式散热，具体来说是就是采用风扇进行强制风冷。相较于被动散热，主动散热的优点是散热效果大大提升，缺点是增加成本，产生了噪音问题，以及风扇性能在长期使用下存在不稳定的风险。

若必须采用强制风冷的情况下，如何选择风扇成为关键。风扇主要分为两种，轴流风扇（axial fan）和离心风扇（radial fan），我们并非风扇厂家，故本文仅供读者做一些基本了解：

（左）轴流风扇（右）离心风扇

轴流风扇的特点是噪声小，流量大，风压低。离心风扇的特点刚刚好相反。离心风扇虽然严格意义上讲，更适合风阻大的场合，比如笔记本电脑中，但是两者的实际使用中并没有特别严格的界限。

散热问题的仿真

散热问题的仿真，本质上来说是对热流固耦合（FSI）问题的求解，并且往往涉及整机结构，尤其对于强制风冷而言，因其涉及到湍流模型，更是复杂。这也无可避免使得设计师对精度有所担忧，尽管如此，在工程应用中，合理运用好仿真工具，仍然是十分必要的设计手段。

软件的选择

在电子产品散热领域，应用最广泛的是西门子的FLOTHERM软件，此外，ANSYS的ICEPAK应用也很广泛。具体采用什么软件，主要看自身的需求。

我们使用的是Altair的Acusolve求解器+Simlab前处理，选用Acusolve一方面是考虑到前处理可以和结构仿真共用Simlab(或者Hypermesh), 就不需要额外投入时间和金钱学习和购买新的软件。

另一方面，我们的产品有许多曲线造型，相比之下，FLOTHERM和ICEPCK更适合方方正正的产品（例如电脑机箱等，PCB板）等。Acusolve采用有限单元法而不是有限体积法来求解流体问题，可以让我们的仿真模型更精确的逼近产品的曲线造型。

风扇的设定

在仿真中设定风扇，比较常见的方式如下（稳态计算）：

PQ曲线：

该方式的设置比较简单也比较容易收敛，但是毕竟是集总的方式，没法考虑太多的扇叶造成空气扰动的细节，因此精度也较差。但好处是风扇的PQ曲线一般可以从风扇厂家官网找到，计算效率也较高。

MRF（moving reference frame）：

与PQ曲线方法相比，MRF方法建立了较为详细的叶片模型，因此可以提供更高的计算精度，但缺点是获取叶片的几何可能有一定困难，需要联系厂家才有可能拿到，计算成本也提高了。并且也仅适合处理转子与定子之间的相互作用较弱的场合（当这种作用不可以忽略的情况下，需要使用滑移网格技术，进行瞬态计算）。

仿真案例

以下我们采用MRF方法，做了一个采用了轴流风扇的强制风冷散热的案例。使用的是Altair Simlab 前处理+Acusolve求解器。

模型文件下载自GrabCAD (https://grabcad.com )，这个模型中，包含了散热片、风扇、简化的芯片模型、导热垫片、以及PCB。我们对原始模型做了一些几何上的简化。在这个仿真中，考虑到计算效率，关闭了热辐射效应（对于强制对流问题，辐射的影响较小，但会显著影响计算时间，对于自然对流问题，辐射的影响则一般不能忽略）。

渲染图+剖面图

（模型为GrabCAD上公开资源，非实际产品）

有限元模型设定如下：

稳态，湍流模型选择Spalart-Allmaras, 考虑流动，求解温度场（即关闭temperature flow的选项），对扇叶边界层进行了网格加密。流体空气为常物性的参数。散热器材料设定为挤压铝，导热系数175w/m*k，热源（芯片）的功率设置为4w, 散热垫片的导热系数设置为3w/m*k。

空气进出口选择压力边界条件，四周的空气选择wall边界条件来模型固定的环境温度（25℃）。

划分了较大的流体区域，以减弱边界影响

MRF风扇模型（包含扇叶的完整几何）

有限元模型

模型的规模为2700万网格，32核求解，总共时间~2.5小时。最终求解的参考点的温度已经稳定。

收敛曲线

最终的求解的温度场如下：

流场如下：

小结

通过这个小例子，可以看到Altair Simlab无论是做结构的前处理（尤其是电子产品的跌落，可以使用很短的时间就可以划分出高质量的网格）还是散热问题的前处理（对于自家的Acusolve流体求解器也支持的很好，无论是生成边界层还是对于网格的局部的加密都拥有十分完善强大的功能）都十分方便，大大节约了仿真工程师在画网格上浪费的时间。也让结构工程师同时可以做热流固耦合分析（比如我们的卷王汪工）。

Acusolve的计算结果既可以在Simlab中直接快速查看，也可以导入到HyperWorks CFD， CFD Post 中，以支持更全面的后处理功能