如何使用 Fluent 軟體做好電子產品的散熱問題?

作者 | 張楊老師仿真秀優秀講師

一、寫在前面

在電子設備中，熱功率損失通常以熱能耗散的形式表現，而任何具有電阻的元件都是一個內部熱源，如圖1所示。

圖1 熱量產生示意圖

電子設備是由大量的電子元件組成的，當電子設備正常工作時，其輸入功率要高於輸出功率，高出這部分功率則轉化為熱量耗散掉，如果這些熱量不能順利地導出，就會產生內部高溫，高溫會導致元器件失效，單個元器件失效會導致整個設備的失效。

圖2是美國空軍對導致電子設備失效的原因的調查，調查結果表明導致元器件失效的主要原因就是高溫。

圖2 美國空軍對導致電子設備失效的原因的調查

在電子行業，器件的環境溫度升高10 ℃時，往往失效率會增加一個數量級，這就是所謂的「10 ℃法則」。

每種器件失效前的平均時間是其所承受的應力水平、熱應力和化學結構的綜合因素的統計函數。降低熱應力能夠使失效率顯著地降低，見表1。

表1 高低溫時部分元器件失效率及比值

隨著軟體技術和計算機硬體的飛速發展，如今電子產品的設計已進入了面向並行工程的CAD／CAE／CAM時代，設計及評估人員都能夠依靠計算機仿真技術更好的展開工作。

ANSYS 在解決電子系統的系統級散熱設計方面有著最好的專業技術優勢，應用專業的CFD計算軟體群，能夠在模型建模、快速的網格生成、強大的求解計算、完善的後處理等方面擁有獨特的優勢。

圖 基於ANSYS Fluent 的電子散熱問題分析基本工作流程

二、電子散熱仿真中的幾何處理（SCDM）

ANSYS SpaceClaim Direct Modeler（簡稱 SCDM）是基於直接建模思想的新一代3D建模和幾何處理軟體，可以提供給CAE分析工程師一種全新的CAD幾何模型的交互方式，從而顯著地縮短產品設計周期，大幅提升CAE分析的模型處理質量和效率。

圖 SCDM 新一代3D建模和幾何處理軟體

對於電子散熱問題，通常工程師需要處理大量固體電子元器件的幾何模型，而且這些器件大多不是同一種材料，因此還要考慮多個實體間的幹涉與縫隙；同時，工程師還需要獲取固體之間的流場區域，並根據不同的情況進行幾何分類（如風扇區域、格柵區域等）。

對於電子散熱仿真中紛繁複雜的幾何問題，SCDM可以結合自身特點，高效的完成幾何修復與幾何簡化的工作，從而使CAD設計與CAE仿真建立高速橋梁，完成仿真的第一步。

圖 使用SCDM修復和簡化的電子器件幾何模型

圖 SCDM軟體快速獲取流體仿真區域

三、電子散熱仿真中的網格工具（Workbench Meshing）

Workbench Meshing 是ANSYS旗下應用最為廣泛的網格劃分工具，該軟體具備有多物理場網格劃分的功能，可以在流體、結構、電磁、顯示動力學、水動力學等物理場仿真的流程中，出色的完成對應的功能，劃分區分各自求解器特徵的有針對性的網格。

對於基於ANSYS Fluent 的電子散熱問題仿真，Workbench Meshing也是一個不錯的選擇，它可以針對流體仿真的問題進行高效準確的網格劃分。

1. Workbench Meshing具備有簡單高效的工作流程；

2. 當Workbench Meshing與SCDM配合使用，可以快速生成共節點的體網格；

3. Workbench Meshing 可以快速生成混合網格，提升計算效率和仿真精度。

圖 固體區域表面網格

圖 剖面網格顯示（共節點混合網格）

四、電子散熱仿真中的求解器（Fluent）

換熱模型

自然界中最為常見的四種熱交換現象：熱對流、熱傳導、熱輻射、相變換熱

圖 四種傳熱模型

這些熱交換的問題，都是可以通過Fluent 軟體進行仿真計算的。

通過之前幾何、網格兩個步驟，我們通常已經得到了流體與固體的有限元網格，接下來，Fluent 通過有限體積法進行詳細的三維計算求解，流體區域求解傳熱方程和流動方程，固體區域僅求解能量方程。

Fluent 可以直接求解熱傳導問題和熱對流問題，只需要通常的網格劃分與邊界條件設定即可。

圖 Fluent中求解熱傳導問題

圖 Fluent中求解熱對流問題

自然對流與強制對流（Natural and Force Convection）

在大多數工業應用中，自然對流和強制對流通常都是同時存在的。兩者產生影響的相對大小，我們通常可以用修正的弗勞德數Fr（與1的大小關係）來確定。

ANSYS Fluent 軟體具備計算自然對流與強制對流的功能，無論計算區域是封閉的空間還是開放的。當然，Fluent並沒有設計一個專門的選項來區分自然對流與強制對流，就如同上文中所介紹的，他們通常都是同時存在的，只是佔據的比重不一致。

通常情況下，流體仿真工程師通過對密度的模型和重力條件進行有區分的設定，來描述在流場中是否考慮自然對流；當然，在這之外可能還需要額外的一些參考條件設定來配合才能生效。Fluent 提供多種密度模型來描述自然對流，比較常用的有以下幾種：

Ideal gas 理想氣體

Incompressible ideal gas 不可壓縮的理想氣體

Boussinesq 波斯尼克密度模型

圖 封閉空間的自然對流模型

熱輻射模型

Fluent 可以通過多種模型計算熱輻射。但其中適用於電子散熱仿真的模型，通常推薦使用S2S和DO兩種。

S2S原則上用於真空（零光學厚度）的熱輻射問題，因為它沒有考慮介質的散射、吸收等影響，屬於表面熱輻射問題。

按照通常的概念，電子散熱的區域的流體介質幾乎都是空氣，而且空氣中的氧氣、氮氣等雙原子分子對各個波長的熱輻射都近似「透明」（絕大部分熱輻射都會穿透雙原子分子）。因此，在電子散熱問題中，S2S是優先選擇的熱輻射模型，它可以有效提升計算的精度，同時並不過大的增加計算的工作量。

圖 S2S 模型中視線因子計算方法

DO熱輻射模型在電子散熱仿真中，應用的時機相對較少。對比S2S模型，DO模型的計算原理更加細緻，可以考慮所有介質對熱輻射的影響，是精度更高的物理模型。但由於其需要輸入的材料屬性過多（且難以準確獲取）、計算時間較長，因此僅建議在一些複雜的散熱問題中使用（如：非灰體輻射、介質中含多種氣體等）。

圖 DO模型中離散坐標系的求解方法

熱輻射問題中求解的輸運方程：

熱輻射模型使用的時機：

將輻射熱通量 與對流及導熱的傳熱速率進行對比，當二者數量級相當時，應該考慮輻射效應。

圖 算例中是否考慮熱輻射結果對比

通過上圖可以發現：

1.考慮熱輻射後，電子產品的平均溫度會降低。

2.產品上方金屬箱蓋處受到熱輻射的影響，溫度較高；不考慮熱輻射時，這部分溫度為最低。

Fluent 可以計算相變換熱，但通常要與多相流或者UDF連用，屬於Fluent 仿真中相對高級的問題，難度也更大，通常在電子散熱問題中不會涉及。

電子器件發熱

Fluent 通過對固體計算區域添加能量源項的方式，來描述電子元器件的發熱情況，輸入的源項單位是W/m3。

圖 電子元器件發熱

當然，對於不同的問題，各類電子元器件的發熱功率是不一樣的，大部分情況我們按照常數進行分析；但有些發熱功率是時間的函數，有些則是空間的函數，還有一些是其他變量（如溫度、溼度等）的函數。

為此，Fluent 可以通過分布文件（Profile）或UDF（用戶自定義函數）的方式解決上述問題，原則上可以輸入任意已知類型的發熱功率。

圖 某型汽車新能源電池單個電芯發熱功率隨電芯溫度變化情況

圖 單個電芯發熱功率隨電芯溫度變化UDF編程代碼（節選）

壁面邊界條件：

固體壁面在電子散熱問題中往往扮演著重要的角色，因此，絕大多數的電子期間散熱問題都必須要處理固體壁面（wall）問題

Fluent 中提供三種不同的壁面處理方式，能夠根據問題的不同來進行有針對性的仿真簡化，從而達到提高工作效率的目的。

方法一：對固體區域劃分網格

在固體域求解能量方程，需要對網格區域劃分網格。這是最精確方法，流體與固體交界處會使用耦合熱邊界條件進行計算，只需要工程師賦予正確的材料屬性，其他全部由Fluent自行計算得到。

不足：固體區域通常很薄，在其中劃分體網格會極大的增加網格的總數。

方法二：薄壁模型（Thin Wall）

至劃分流體區域的網格，固體壁面等效為一個面邊界（boundary）。該方法可以有效解決薄固體區域帶來的網格增加問題，工作效率極高，僅需要在確定固體材料的基礎上輸入厚度值即可

不足：只能考慮法向的熱傳導，不能計算切向熱交換。

方法三：殼導熱模型 （Shell Conduction）

與薄壁模型（Thin Wall）類似，殼導熱模型在方法二的基礎上打開選項Shell Conduction進行設定，不同的地方是殼導熱可以計算熱量在切向與法向的傳遞，而且可以多層固體區域一起計算。

殼導熱模型的本質是增加一層虛擬網格，而且這一層網格是Fluent單獨額外計算的，工程師無法通過任何已知的命令來獲取網格的相關信息。

殼導熱模型在不增加網格數量的情況下，仍舊能夠相對準確的計算壁面處的熱傳遞問題，可以認為是電子散熱問題的首選。

不足：與某些模型連用時可能會有額外的限制（如：FMG初始化等）。

五：公開課-如何使用Fluent軟體做好電子產品的散熱問題

使用Fluent進行電子散熱的仿真分析流程較為清晰，但環節步驟多，本文限於篇幅暫未對各類電子散熱仿真的難點進行一一解析。

為了讓更多的學員學習到Fluent電子散熱仿真分析的重難點問題，筆者受仿真秀邀約，特定於2020年9月2日晚8點在仿真秀直播間為大家帶來《如何使用 Fluent 軟體做好電子產品的散熱問題？》專題公開課。

直播課程中，張老師將著重介紹fluent散熱仿真中的強制對流問題。該問題是電子散熱中較為常見的情況，課程將會對強制對流問題中涉及到仿真步驟、物理模型、簡化方法、收斂判定等情況進行詳細的介紹，並通過一個案例實操來進行系統的說明。