首页/文章/ 详情

用Fluent进行电子器件散热仿真分析,这些经验不可不知(请收藏)

精品
作者优秀平台推荐
详细信息
文章亮点
作者优秀
优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
平台推荐
内容稀缺
5年前浏览5011

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)。

一、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)

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)。

二、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

三、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。

四、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**极大的增加网格数量,但是精度可以保证���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。

五、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

六、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

七、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

作者:张杨,仿真秀科普作者。

声明:原创文章,首发仿真秀***,部分图片源自网络,如有不当请联系我们,欢迎分享,禁止私自转载,转载请联系我们。

Fluent
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2019-03-11
最近编辑:5年前
仿真圈
技术圈粉 知识付费 学习强国
获赞 9383粉丝 20682文章 3262课程 208
点赞
收藏
未登录
还没有评论

课程
培训
服务
行家

VIP会员 学习 福利任务 兑换礼品
下载APP
联系我们
帮助与反馈