129、Fluent电子芯片翅片散热器仿真

随着芯片性能的不断提升，功耗和发热量也在快速增加。如果散热不及时，芯片容易出现性能下降甚至失效的问题。为了保证芯片在高功率密度下的稳定运行，高效的热管理技术显得尤为重要。

翅片结构作为常见的散热方式之一，通过增加换热面积来提升散热能力。借助数值仿真手段，可以对翅片的结构进行优化分析，从而为芯片热管理提供更可靠的设计思路。

本例模拟印刷电路板PCB上某一发热电子元件在空气环境中运行时的散热过程。在模型中设置了安装于元件表面的翅片结构，用以增大换热面积并改善局部流场分布。

空气在外部流动过程中与翅片表面充分接触，热量通过导热与对流过程逐步传递至空气域，实现对元件温度的有效控制。

3.1 导入网格

使用Fluent软件打开Chapter129.msh网格文件，文件在本文末尾链接资源内。注意，本案例为3D模型，打开Fluent软件时在 Dimension选项中选择3D。在Options中启用双精度(Double Precision)。

选择网格文件时要注意，由于本案例网格文件为msh格式，文件类型需要选择.msh，才能看到网格文件

导入mesh文件后，点击Display，将显示模型

3.2 修改模型尺寸

本案例原模型尺寸以m为单位，确定x范围为-0.18~0.18；y范围为-0.3~0.7；y范围为-0.002~0.2

3.3 求解器设置

基于压力求解器，稳态设置

4.1 能量方程

打开能量方程以开启传热

4.2 湍流模型设置

湍流模型选择层流Laminar模型。

此例中，流动为自然对流，处于层流状态。

5.1流体材料

双击air材料，打开air材料属性设置界面

将空气密度更改为incompressible-ideal-gas，其他属性保持默认

5.2 固体材料--翅片(铜)

双击固体材料aluminum，进入固体材料属性界面，双击打开Fluent Database

在材料数据库界面，将Material Type选择为solid，材料选择为copper即铜，点击copy，将cu材料添加到固体材料中。

5.3 固体材料--PCB板(fr-4)

双击固体材料aluminum，进入固体材料属性界面

将name更改为fr-4

设置Density值为1250，

设置Cp值为1300，

设置Thermal Conductivity值为0.35

点击Change/Create

5.4 固体材料--芯片(component)

同理，再次添加一个固体材料，进入固体材料属性界面

将name更改为component

设置Density值为1900，

设置Cp值为795，

设置Thermal Conductivity值为10

点击Change/Create

本模型共有4个计算域，一个流体域和三个固体域。

双击fluid，打开流体域设置界面，材料设置为air，点击Apply

双击solid_board，打开solid_board设置界面，材料设置为fr-4，点击Apply。

此计算域即为PCB电路板

双击solid_heatsink，打开solid_heatsink设置界面，材料设置为copper，点击Apply。

此计算域为翅片，用于散热

双击solid_heatsource，打开solid_heatsource设置界面，材料设置为component

勾选Source Terms

在Source Terms点击Energy后Edit…按钮

在弹出的窗口中设置Number of Energy sources为1，类型为constant，数值为635000，点击Apply。

solid_heatsource即芯片，是本例中的热源部分

勾选重力，设置Y方向为-9.81，

操作温度设置为288.16，

由于密度没有选择boussinesq，这里的操作温度没有意义，不会使用这里的值。

勾选Specified Operating Density，操作密度设置为1.11，这里的操作密度直接影响自然对流的流动情况，可参考文章：六十四、Fluent操作温度及操作密度设置

8.1 inlet设置

inlet类型为压力入口pressure-inlet，

Momentum保持默认

在Thermal中设置Total Temperature为318K

8.2 outlet设置

设置为压力出口pressure-outlet

在Momentum中，设置Backflow Direction Specification Method为From Neighboring Cell；表示发生回流时，让Fluent根据出口附近单元的流向来自动决定反向流的方向。

在Thermal中设置Total Temperature为318K

8.3 wall边界设置

wall-left、wall-right、wall-top、wall_board_bottom、wall_board_side等都保持Heat Flux为0；一般默认设置Heat Flux就是0，因此这几个wall保持默认即可

9.求解方法

压力速度耦合为Coupled，

Pressure格式为Body Force Weighted，

勾选Pseudo Transient，详细作用参考文章：四十三、Fluent增强收敛性-伪瞬态计算

松弛因子保持默认即可

监测整个计算域的平均温度。

Report Definitions---New---Volume Report---Mass-Average

Name设置为avg-tem

物理量选择Temperature

Cell Zone选择全部计算域

勾选Report Polt，会在界面绘制平均温度曲线图

勾选Print to Console，会将平均温度在控制界面打印

标准初始化，Compute from勾选inlet，表示以inlet的物理量作为初始物理量。详细信息可参考文章：一文说清楚Fluent初始化操作(标准+混合初始化+Patch+UDF)

将Fluid Time Scale和Solid Time Scale的Time Step Method均设置为User-Specified，表示自定义时间步长。

将流体的伪时间步长设置为10，固体的伪时间步长设置伪1000。

注：这里之所以这样设置是因为：

流体区域的响应通常很快，速度场和温度场的调整时间比较短。固体区域导热是一个扩散过程，响应相对较慢，数值收敛需要更长的时间尺度。

给流体设置较小的伪时间步长（10），是为了避免数值不稳定，使流场能逐步收敛。给固体设置较大的伪时间步长（1000），相当于“强迫”固体导热过程更快收敛，否则它会拖慢整个耦合迭代。这样设置的目的就是平衡不同区域的收敛

14.1 平均温度曲线

平均温度曲线基本达到稳定值

14.2 质量守恒

Net Results为1.32e-8，说明质量达到平衡

14.3 能量守恒

能量源项接近75W

14.4 速度场

14.5 温度场