基于ANSYS Fluent 的电子产品散热问题仿真方法介绍

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基于 ANSYS Fluent 的电子

产品散热问题仿真方法介绍

安世亚太流体工程师 张 杨

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目 录

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3

热设计应满足设备可靠性的要求

大多数电子元器件过早失效的主要原因是由于过应力（即电、 热或机械应力）。电应力和热应力之间存在紧密的内在联系，减小电

应力（降额）会使热应力得到相应的降低，从而提高器件的可靠性。

冷却系统的设计必须在预期的热环境下，把电子元器件的温度控制在规定的数值以下。

应根据所要求的设备可靠性和分配给每个元器件的失效率， 利用元器件应力分析预计法（GB299B-1998《电子设备可靠性预

计手册》），确定元器件的最高允许工作温度和功耗。

电子产品热设计的基本要求

双极性数字电路降额准则

降额参数 降额等级

Ⅰ Ⅱ Ⅲ

频率 0.80 0.90 0.90

输出电流 0.80 0.90 0.90

最高结温℃ 85 100 115

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4 失效率和温度之间的关系为

F = Ae－E/KT

式中：

F = 失效率，为常数；

E = 电子激活能量 (eV)；

K = 波尔兹曼常数 (8.63e-5eV/K)；

T = 节点温度。

Increase inFailure Rate withTemperature

(from a base temperature of 50 C)

2500

2000

1500

1000

500

0

10

Temperature Rise, C

50

Incre

ase

in

Fa

ilure

, %

20 30 40 安世亚太 - 大咖慧

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热设计应满足设备预期工作的热环境的要求

环境温度和压力（或高度）的极限值 环境温度和压力（或高度）的变化率

太阳或周围其它物体的辐射热载荷

可利用的热沉状况（包括：种类、温度、压 力和湿度等）

冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降

热设计应满足对冷却系统的限制要求

供冷却系统使用的电源的限制（交流或 直流及功率）

对强迫冷却设备的振动和噪声的限制

对强迫空气冷却设备的空气出口温度的限制

对冷却系统的结构限制（包括安装条件、密封、体积和重量等）

热设计应符合与其相关的标准、规范规定的要求

电子产品热设计的基本要求

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ANSYS Fluent 是基于有限元体积法求解

• 将计算域离散成一个有限元控制体

• 求解控制体上的质量、动量和能量等广义守恒方程

• 偏微分方程组离散化为代数方程组

• 用数值求解法求解所有的代数方程以获得流场域的解

Fluent 工作原理

Control

Volume*

Equation Continuity 1

X momentum u Y momentum v Z momentum w Energy h

Unsteady瞬态项 Convection对流项 Diffusion扩散项 Generation源项

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8 ANSYS 流体仿真体系

CFX Pre

CFX Solver

FLUENT

Setup/Solve/Post

DesignModeler

ANSYS Meshing CFD-Post

ANSYS

CAD

Plug-in

&

CAD

System

&

.STL

CAD

ICEM CFD

Fluent Meshing

Geometry Meshing Set up Solve Post-processing

Workbench Meshing

SCDM

ANSYS Workbench

Icepak

Discovery Live / Discovery AIM

Turbo System

Chemkin Enterprise Other

Ensight

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热传导

在介质（流体或固体）中发生

与原子和分子振动或电子运动有关

在介质中由于温度梯度的热扩散

热对流

流体流动导致热量交换

热辐射

通过电磁波辐射产生热量交换

相变

因相变而发生的热量交换，本质是物质吸收或放出热量

热交换模型

radiationQ

conductionQ

changephaseQ

convectionQ

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• CFD模拟可以考虑所有的传热模式 :

• 热传导(Conduction)

• 对流：强制和自然(Convection - forced and natural)

• 辐射(Radiation)

• 相间能量源 (相变)

• 流固耦合传热

• 黏性耗散

• 组分扩散

• 为了模拟传热，需激活能量方程：

• 在“Setting Up Physics ”选项卡选中“Energy”

Fluent 中传热模型

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热传导由傅里叶定律决定：

• 当能量方程被激活时，在所有流体和固体区域中，Fluent计算热传导

• 傅里叶定律指出，传热率与温度梯度成正比

• 数学表达式:

• 比例常数为热导率 (k)：

• k 可能是温度、空间等的函数；

• 对于各向同性材料，k 是一个常数；

• 对于各向异性材料，k 是一个矩阵。

热传导

𝒒𝒄𝒐𝒏𝒅𝒖𝒄𝒕𝒊𝒏 = −𝒌∆𝑻

Hot Wall dx

dT

1

Temperature Profile

Cold Wall

x

coldTT

hotTT

t安世亚太 - 大咖慧

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• 随着流体的移动，它会带走热量，这就是对流现象；

• 热传递与流体流动相耦合

• 能量 + 流动方程激活时 求解对流传热

• 能量方程激活时，流体中热传导也将求解

• 另外:

• 对流传热速率很大程度上取决于流体速度

• 流体性质可能随温度（例如空气）而显著变化

• 壁面处传热系数通过湍流热壁函数计算

对流传热

Tbody

T

ThTThq body )(

对流传热系数(W/m2-K) h

q

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13 辐射(Radiation)

• 辐射传热是一种通过电磁波传输能量的能量传递方式：

− 热辐射覆盖电磁频谱的一部分，从 0.1到 100 μm

− 对于半透明物体（例如玻璃，燃烧产物气体），辐射是体积现象：因为辐射可以从体内逸出

− 对于不透明的物体来说，辐射本质上是一种表面现象：因为几乎所有的内部辐射都在体内被吸收

头灯

玻璃熔窑 太阳能负载(HVAC)

Visible

Ultraviolet

X rays

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

rays

Thermal Radiation

Infrared

Microwaves

log10 (Wavelength), m

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• 当物质改变状态时，会释放或吸收热量；

• 相变有很多不同的形式：

• 冷凝 - Condensation

• 蒸发 - Evaporation

• 沸腾 - Boiling

• 融化/凝固 - Melting/Solidification

• 需要多相模型和/或UDF来正确地模拟这些现象

相变

采用欧拉多相模型计算核燃料组件沸腾蒸汽体积分数

基于非预混燃烧模型的戊烷燃烧过程中

蒸发液戊烷液滴轨迹和温度等高线

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• 在流体与固体区域之间的壁面或两侧有流体的壁面，在读取网格文件时，Fluent会自动创建 wall 与wall_shadow

• 默认情况下，耦合(Coupled)边界条件自动平衡墙两侧的能量

共轭换热(CHT)

Grid

Velocity Vectors

Temperature Contours

冷却液流过加热棒

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• 当流体密度与温度有关时，被加热后密度变化，就会发生自然对流；

• 流动是由密度差引起的重力驱动的；

• 当在Fluent中激活重力项时，动量方程的压力梯度和体积力项重写为：

• 多种方式描述自然对流，常用的方法有：

• Boussinesq 密度模型

• Incompressible Idea Gas 密度模型

自然对流

−𝝏𝒑

𝝏𝒙+ 𝝆𝒈 → −

𝝏𝒑

𝝏𝒙+ (𝝆 − 𝝆𝟎)𝒈 式中: 𝒑′ = 𝒑 − 𝝆𝟎𝒈𝒙

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• 当辐射热通量： 与对流及导热的传热速率相比时，二者数量级相当时，应该考

虑辐射效应；

‒ 估计系统中传导或对流传热的大小：

‒ 比较 qrad 与 qconv

• Fluent 中有五个辐射模型：

‒ 离散坐标模型 (DOM)

‒ 离散传输辐射模型 (DTRM)

‒ P1 模型

‒ Rosseland 模型

‒ Surface-to-Surface (S2S)

何时考虑辐射？

bulkwall TThqconv

𝑞𝑟𝑎𝑑 = 𝜎(𝑇𝑚𝑎𝑥4 − 𝑇𝑚𝑖𝑛

4 )

σ为Stefan-Boltzmann常数，5.6704×10-8 W/(m2·K4)

Heater 400K

Wall

Glass (Semi-transparent) 安世亚太 - 大

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• 壁面热边界条件:

• 恒定热通量或温度

• 对流：模拟外部环境的对流（用户定义换热系数）

• 辐射：模拟外部环境的辐射（用户定义内部发射率和

辐射温度）

• 混合(Mixed)：对流和辐射边界的结合

• Via System Coupling：当Fluent与Workbench中

其他系统耦合时，可以使用“System Couplings”

壁面热边界条件

)( wextextconv TThq

)( 44

wextrad TTq

)()( 44

wextwextextmixed TTTThq

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• 通常，模拟壁面热效应是很重要的，但可能不需要对其进行网格化

– 选项1：对固体划分网格

• 在固体域求解能量方程，需要网格离散

• 最精确方法，使用耦合热边界条件计算

– 选项2 ： 薄壁模型

• 只划分流体域，需指定壁面厚度；

• 考虑了壁面热传导。

– 选项3：壳导热模型

• 如选项2，但是打开 “Shell Conduction”

• 将创建1层或更多层“虚拟单元”

壁面传热和网格

Fluid

Solid

热量沿各个方向传递

热量沿法向传递

热量沿各个方向传递

Fluid

Solid

Fluid

Solid Virtual conduction

cells

Wall zone

(no shadow)

Wall zone

(with shadow)

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• 热通量报告:

• 总热传递速率 : 计算对流和辐射通量

• 计算收敛时，静热平衡应为0

• 或与所有外部能源相反 (UDF 或恒源项， DPM)

• 辐射热传递速率 ：仅计算辐射净通量

• 该通量的总和一般不为0，它可以代表被介质吸收的能量的量

传热计算后处理

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• Fluent模型结果可以转移到另一个FE

代码中，进行进一步分析(例如，计算

热应力)；

• 使用Workbench，很容易将Fluent数

据映射ANSYS结构仿真中；

• 只需右击“Solution” 单元，然后点

击“Transfer Data To New Static

Structural”。

单向热 FSI 分析

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• 在ANSYS结构分析中 (如图), 来自Fluent求解数据可以通过 ‘Imported Load’选项导入；

• 体积温度可以传递。

单向热 FSI 分析

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计算太阳光线照射到计算域内的辐射效果

– 基于追踪法的太阳光线追踪

– 和DO辐射模型合用，加入太阳负荷

稳态计算和瞬态计算都适用

太阳辐射求解器

– 输入经纬度、时区、模型朝向、日期和时间

Solar Calculator

太阳辐射模型

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25

• 几何模型简化

• 流体区域选取

• 边界条件的指定

• 材料的赋予

• 发热功率的输入

• 风扇、格栅等区域的简化

• 瞬态问题中时间步的选择

• 热辐射模型

• 变量监测及后处理

• ……

使用 Fluent 进行散热分析的重点内容

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26

• 几何中狭缝与薄板的处理

• 网格划分方法

• 计算规模过大

• 稳态问题不收敛

• 输入条件为变量

• 辐射模型问题

• 自然对流问题

• 湍流模型选择问题

• 优化问题

• ……

使用 Fluent 进行散热分析的难点内容

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27 电子散热问题中 Fluent VS. Icepak

Icepak 是基于Fluent 的二次开发

Icepak 专门应用于电子行业分析

对于成熟的 Fluent 工程师和 Icepak 工程师计算同一个散热问

题，工作效率会差别很大

Icepak 通常可以节省 50%~80% 的工作时间；同时，精度和

Fluent 差别不大

在多个环节如：快速建模、几何简化、元器件部署、网格划分、

后处理、电子多场耦合等，Icepak 都具备绝对优势

仅在极个别的情况下（复杂相变、多相流等）Icepak 处于弱势

结论：如果条件允许的情况下，建议电子散热问题使用 Icepak

（而不是 Fluent ）进行计算

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29 算例示意图

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30 算例初始条件

仿真采用的流体材料为空气 air ，固体材料见 Page 3，湍流模型为 k-ε Realizable 并采用标准壁面

函数，芯片的散热功率为 2000000 W/m3。

材料名称 密度 kg/m3 比热J/(kg·K) 热传导系数W/(m·K)

芯片 xinpian 2000 720 高度方向10 ；其他方向100

其他（主板等）qita 3200 150 5

钢 steel 默认参数

木头 wood 默认参数 安世亚太 - 大咖慧

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31 算例工作过程1（SCDM）：几何处理&外流场抽取

原始几何 简化后几何

流体区域获取

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32 算例工作过程2（Workbench Meshing）：网格划分

剖面网格显示 表面网格显示 安世亚太 - 大

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33 算例工作过程3（Fluent）：求解计算和后处理

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大咖慧，顾名思义，汇集众多大咖智慧。

是由安世亚太打造的一个以设计、仿真、增材制造等领

域技术和行业专家为主的智慧学习平台。目前主要通过

线上培训、研讨等方式，由行业相关领域资深专家与学

员们分享交流最新技术和应用研究成果。

如有任何需求、建议，请关注订阅号（peraglobal），给我们留言

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