ANSYS CFX在電子機箱散熱中的應用

邊 疆，閆兆軍

(1.總裝備部武漢軍代局駐鄭州軍代室，河南鄭州450047;2.中航光電科技股份有限公司，河南洛陽471003)

1 引言

近年來，電子技術的發(fā)展主要呈現(xiàn)以下幾種趨勢［1～2］:①電子系統(tǒng)的集成度越來越高，其熱流密度不斷增加;②電子產品向微型化方向發(fā)展，功率更大而外形尺寸越來越小;③電子產品已經滲透到各個領域，其用環(huán)境不斷擴大，所使用的熱環(huán)境差異很大。電子產品的這些發(fā)展趨勢使得電子設備過熱的問題越來越突出。研究資料表明，半導體的溫度升高 ，可靠性降低［3］;對電子設備而言，溫度每降低1，其失效率將下降4%。因此，對電子產品進行熱設計，采取有效的熱設計方案是提高產品可靠性的關鍵。

有效合理的熱分析是電子設備結構熱設計的前提。電子設備的熱仿真分析能夠比較真實的模擬系統(tǒng)的熱狀況，在產品設計的初期，利用熱仿真軟件對熱設計方案進行建模、熱場分析及仿真，能夠發(fā)現(xiàn)產品的熱缺陷，從而改進其結構設計，縮短電子產品的開發(fā)周期，減少設計、生產、再設計和再生產的費用，為提高產品設計的合理性及可靠性提供有力保障。

2 ANSYS ICEM-CFD/CFX軟件介紹

ANSYS ICEMCFD是一款世界頂級的CFD前后處理器，為所有世界流行的CFD軟件提供高效可靠的分析模型。除了提供其它軟件具有的普通的前后處理功能外，其強大的CAD模型修復能力，獨特的網格“雕塑”技術以及網格編輯技術是它的三大特點。

ANSYS CFX系列軟件是擁有世界級先進算法的成熟商業(yè)流體計算軟件。CFX軟件提供了從網格到流體計算以及后處理的整體解決方案。核心模塊包括 CFX－Mesh、CFX－Pre、CFX－Solver和CFX－Post四部分。其中，CFX－Solver是 CFX軟件的求解器，是CFX軟件的內核。

聯(lián)合仿真過程通常有三種功能，分別用于前端處理、計算和結果數據生成以及后處理，其工作流程如下圖1所示。

圖1 ANSYS ICEM－CFD和CFX工作流程圖

3 應用案例:某液冷電子機箱的熱分析

下面結合工程對象－某液冷電子機箱，對CFX在電子機箱熱分析中的思路方法進行說明。通過這個案例，可以了解CFX在電子設備熱分析中的應用。

3.1 問題描述

模型中主要包括一個機箱，一個液冷流道，一個封裝模塊，一塊PCB板及熱源，其中原始模型的基本參數如下:

液冷流道:材料為防銹鋁LF16;

熱源:材料為硬鋁，發(fā)熱功率為6W;

封裝模塊:材料為硬鋁，等效的發(fā)熱功率為60W;

流道入口的質量流量為0.395kg/s。

液冷機箱模型結構如圖2所示。

圖2 機箱CAD模型

3.2 CAD模型簡化與流道模型生成

模型的簡化就是在保證準確性的前提下，簡化機箱CAD模型中一些對熱分析影響很小的零件及零件中對熱分析影響很小的特征。

簡化的基本思想是“著眼于整體特征而不及其余”，因為這些細節(jié)對問題求解的影響很小，因而可以忽略。細節(jié)可否刪除，要多方面考慮，諸如分析目標，細節(jié)在結構中的位置等，究竟結構中哪些部分可以作為細節(jié)而刪除，什么樣的細節(jié)在什么情況下對求解問題不會有很大的影響而可以忽略，目前還沒有統(tǒng)一的標準，也未見到有歸納性的文獻，只能具體問題具體分析。

針對本案例，經過反復調試與討論，簡化后的模型如圖3所示。

在WorkBench環(huán)境下，采用“包絡體”方法生成流道的CAD模型，如圖4所示。

圖3 簡化后的機箱模型

圖4 流道CAD模型

3.3 網格劃分與求解

在整個液冷機箱中，流道形狀復雜，尤其是在進/出口處，有較多的彎角、轉折特征，且流道的網格質量決定整個模型求解的正確性，因此單獨對流道進行網格劃分。在ICEMCFD中采用BLOCK塊的方式，生成高質量的全六面體網格，對流道的進/出口處采用O－Grid嵌套的方法進行劃分。從網格的質量來看，反映了模型的形狀特征，特別是流道的拐彎轉折處，沒有產生畸變。圖5、圖6為流道出/入口的網格及BLOCK視圖，圖7為流道整體的網格及BLOCK視圖。流道的網格信息如下:

Nodes:101443 節(jié)點數

Elements:123782 單元數

圖5 流道入口處網格及其BLOCK圖

圖6 流道出口處網格及其BLOCK圖

圖7 流道整體網格及其BLOCK圖

對液冷機箱的其它部分劃分四面體網格，在ICEMCFD環(huán)境下，實現(xiàn)網格的裝配，保存網格文件格式為.cfx5，圖8為液冷機箱的整體裝配網格視圖。將網格文件導入CFX－Pre環(huán)境下，如圖9所示。設定最穩(wěn)健的邊界條件，流固交界面網格采用GGI連接方式，如圖10所示，選擇SST湍流模型，流道內冷卻劑為水，入口流量為0.395kg/s，入口溫度設定為25℃，將前處理文件保存并導入CFX－Solver求解模塊進行計算，由于有很高的網格質量及合理的邊界條件，殘差曲線很快收斂。

圖9 導入CFX中的熱分析模型

圖10 進/出口交接面網格視圖

3.4 后處理與仿真結果分析

模型求解結束以后，在CFX－Post環(huán)境下進行結果的后處理，常用的后處理模型有:物體表面溫度分布云圖、剖面云圖、速度矢量圖及壓力分布云圖。圖11、圖12、圖13分別為封裝模塊、印制板及熱源表面的溫度分布云圖。圖14、圖15為流場內速度矢量圖。

圖11 封裝模塊表面溫度分布云圖

圖12 印制板表面溫度分布云圖

圖13 熱源表面溫度分布云圖

印制板上的芯片熱源為6×3的陣列，每個芯片的發(fā)熱量都為6W。封裝模塊等效為一個體熱源，功率為60W，印制板表面溫度的最大值為53.51，芯片熱源靠近冷板的溫度較低，遠離冷板的溫度較高，中間的芯片表面溫度的最大值為53.75。由于熱源在印制板上的均勻分布，且冷板內冷卻劑高效的對流換熱性，電路板表面溫度分布，封裝模塊表面溫度及熱源表面溫度分布有對稱性，如圖11、圖12、圖13所示。

圖14 流場內速度矢量圖

圖15 中間冷板速度矢量圖

從速度矢量圖14、圖15可以看到，流道內流體的最大速度為37m/s，入口流量為0.395kg/s，小孔直徑為4mm，則小孔處的截面平均速度為:

式中，Q——小孔處流量;d——小孔直徑;

ρ——冷卻劑的密度。

計算可得小孔界面平均速度為31.4m/s，可見切面速度最大值為37m/s的仿真結果是可信的。冷卻劑從孔口以較大速度噴射出來，流動狀態(tài)為劇烈紊流。從流道切面的速度矢量圖上可以看到，流道內速度比較均勻，達到了設計效果。

從后處理中查看流道出入口的平均溫度值，入口平均溫度為25℃。由于機箱中目前裝入的印制電路板插件和模塊插件只有一個，耗散熱量較小，為168W，出口溫度的平均值為25.076℃。則通過冷卻劑流動帶走的熱量為:

Φ=qmCp(t2－t1)

式中，Φ——液體冷卻帶走的耗散熱量(W);

qm——冷卻劑質量流量(kg/s);

Cp——冷卻劑定壓比熱(J/(kg·℃));

t1——冷卻劑入口溫度(℃);

t2——冷卻劑出口溫度(℃)。

可以計算出冷卻劑吸收的熱量為147.6W，與機箱內耗散熱量168W相差很小，保證了能量守恒，誤差可能為計算出口溫度的平均值產生。

3 結論

查看流體出入口的溫度，計算流體帶走的熱量，與模型中的耗散熱量相差較小，能反應模塊與機箱的實際情況，符合能量守恒定律;相同熱源的陣列，熱源表面溫度有對稱性;計算流道內流體的平均速度，與仿真結果中的速度矢量圖對比，速度相差較小。通過對工程實際對象仿真結果分析，表明仿真結果的合理性，驗證了整個論文中關于“建模模型簡化”包絡體“方法生成流道網格劃分及裝配邊界條件設置及求解計算結果后處理”的思想方法的正確性，對以后該類電子產品熱分析熱設計工作具有一定的借鑒意義。

［1］ 顧林衛(wèi).熱控制技術的新進展.艦船電子對抗，2007，30(4):108－110.

［2］ 呂永超，楊雙根.電子設備熱分析，熱設計及熱測試技術綜述及最新進展.電子機械工程，2007，23(1):5－10.

［3］ 顧子天，計算機可靠性理論與實踐［M］.成都:電子科技大學出版社，1994.