ANSYS Icepak电子控制单元热流计算

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摘要：复杂的几何体在当今的电子散热案例中非常常见，在使用CFD仿真热流计算时，准确的几何模型是非常关键的参数，本案例使用ANSYS Icepak对某复杂异形电子控制单元进行热流仿真计算，使用DM重构了机箱外壳、PCB板及IC器件的热模型。

导读：在当今高功率电子时代，所有电子设备如：计算机、服务器、电信设备和航空电子机箱越来越微型化，功率集成度越来越高。这些系统及子系统的热管理是一个很大的挑战，需要新的方法对这些系统进行热管理分析。如何对具有复杂几何的电子产品进行热流分析是非常重要的。如，热流分析必须在一个复杂的、器件尺寸大小不同的空间里进行计算，在便携式计算机，不同的部件紧密地封装在一个小的系统中，在CFD模型中建立这类异形几何结构是极其耗时的工作。

在典型的CFD电子热模型中，通常使用简化的模型，如立方体和多边形来搭建复杂的外部机箱及内部的电子器件，这使得数值计算容易进行。当前，超算中心的快速发展和网格技术的快速提高使得对复杂模型进行分析成为可能，例如，在一些案例中，不用进行任何简化修复就可以建立一些非轴对称的异形模型，可以准确预测复杂系统的热流。本案例的详细模型包含复杂的外壳、PCB板及电子器件。

图1显示了本控制单元的几何模型，包括外壳、几个PCB板以及风扇等。使用CFD热流仿真工具ANSYS Icepak研究本电子控制产品的冷却性能。

在这种情况下，CFD建模最耗时和最困难的是处理外壳复杂的几何形状。ANSYS Icepak可以直接建立这样的外壳使用原始的几何模型，后续对一个异形壳体在自然对流情况下，进行了热流仿真计算。然而对于计算机的性能要求非常高，而且对于整体分析来说，精确的几何模型是没有必要的，所以我们选择了简化的方法。

控制单元CAD几何结构图

异形壳体的自然冷却计算

ANSYS Icepak可以直接读入IGES、STEP格式的文件，然后转换成CAD类型的热模型。这样的几何模型必须使用mesher-hd网格来划分，壳体的面网格见下图，切面网格展示了Icepak的非连续性网格，在几何模型的边界上进行了网格细化，但是在外壳的周边空间用了相对粗糙的网格，ANSYS Icepak对包含器件的局部区域进行了网格细化，和周边区域的网格是彼此独立的。

对异形外壳直接输入热耗，模拟了自然对流工况下外壳的热流分布，计算结果如下图所示，本案例网格数约200万。

异形壳体的Icepak热模型

异形壳体的面网格

切面的非连续性网格

异形壳体自然冷却计算结果

控制单元模拟

为了模拟一个完整的电子控制单元，使用多边形Block手动建立了一个简化的外壳，根据CAD模型的几何尺寸建立了多边形外壳的多个点，使用了多边形流体Block建立了外壳背板的散热孔模型，使用了Grille来模拟机箱底部的散热孔。

完整的CAD模型包含了许多部件，使用DM可以很方便的导入Icepak，可以使用DM不同级别的Simplify转化命令对器件进行转化，例如，可以使用Simplify（0级）将不同模型转成长方体，但是散热器必须导入所有细节结构，最终，DM可以将转化后的模型导入Icepak。

最终建立的热模型和真实模型仍然有一些区别。对整体模型来说，使用非连续性网格尽力去减少网格数量，非连续性网格尺寸与散热器的最小几何有关，为了进一步减少网格的个数，必须将散热器和器件放置于另外一个Assembly中，并单独进行网格划分。由于PCB板和器件尺寸比例不同，将PCB中放入单独的非连续性网格中，可以进一步减少网格数量。最终将所有的模型放置于一个整体的Assembly非连续性网格中。本控制单元网格个数约为200万。