电子设备系统中的空气流模拟准则

几何准备

两个主要的几何划分是固体部件和空气体积。

固体

通过简化固体几何，简化模拟中的热流道：

• 简化或消除远离主热流道的组件。
• 消除紧固件等对于热流道并不重要的任何部件。
• 填充通过消除无关部件而产生的任何孔。
• 简化连接器、螺母柱和变压器等组件。
• 对于钣金部件，消除弯管生成的圆角，并填充或消除由弯曲离隙创建的小特征和接缝拐角生成的间隙。
• 消除干扰。
• 填充任何无关间隙。CAD 模型中的许多间隙源自标准制造和装配容差，但在装配时将会闭合。

通常，这些简化可以使部件计数减少 10% 到 20%。

简化前的示例模型：

简化后的示例模型：

空气几何通过冷却法（强制或自然）确定，无论是内部空气、外部空气还是同时涉及两者均如此。

• 使用一个或多个部件填充内部空气间层，这样便可计算内部气流。
• 对于由自然对流冷却的系统中的外部空气，表示空气域中的任何物理流动障碍，例如，壁面、天花板，地板或桌子。创建一个形状，使空气以球体或半球体形式在域周围移动，其中，外侧面表示远场条件。使球体或半球体的直径为模型最长对角长度的三到五倍。
• 对于由强制对流冷却的系统，通过系统吹送的空气提供冷却效果，这些空气通常由外壳中明确定义的入口进入，并由明确定义的出口排出。标识或创建短入口和加长出口。

3D-CAD 具有多个功能可协助生成空气（包括抽取内部体积和抽取外部体积功能），外加一组布尔运算功能（包括布尔减、合并和相交）。使用压印功能，这样在模拟树中下移时便会自动创建所有接触和交界面。

自然对流示例：以由自然对流冷却的外部射频为例，其中射频填充对角线上约 200 mm 的包络并悬浮在空中，远离任何壁面或其他流阻。要模拟这种情况，在射频周围创建一个直径至少为 600 mm 的球体。

如果设备不悬浮在空中，而是安装在壁面、桌子或天花板上，创建一个类似以下某项的半球体。

强制对流示例：以下面所示的设备为例，其冷却方法是风扇通过两个入口吸入空气，然后从一个口排出。

有两种情况需要考虑：

• 不考虑模块外部的空气。简单的短入口和加长出口就已足够。注意，出口的长度足以让流体有时间几乎达到均匀。

  

• 考虑外部空气。空气域看起来与自然对流情况非常类似。

  

  注意，在此示例中，通过外部球形空气从出口产生的气流流型与加长出口极为类似。二者之间的主要区别涉及通过模块外壁导致的热损失（或热量不足）。

  

网格准备

对属于热程的每个固体进行网格化。

• 如果可行，使用同一网格操作创建穿过空气和固体的共形多面体网格。共形网格适用于强制对流和自然对流这两种情况。由于一些与辐射计算相关的细节，它特别适用于自然对流情况。
• 或者，对于强制对流模型，还可以只将空气网格化为多面体（和共形（如果使用多个空气部件）），并使用切割体网格对固体进行网格化。因此，总体网格为非共形。通过此方法可以更加轻松、快速地进行网格化，但对于涉及辐射的情况，建议不要使用。

典型的网格尺寸为 500,000 到 5,000,000 个网格单元。

以下示例显示的模型包含 500 多个部件和一个完全共形的有效网格。

物理设置

将属性分配给空气和固体。

空气

空气密度必须随温度变化，因此使用理想气体模型。

压力引起的密度变化可以忽略不计，因此 Boussinesq 模型足以对自然对流浮力效应建模。

固体

将热属性分配给固体：

• 许多固体（包括金属）为各向同性。对于这些固体，Simcenter STAR-CCM+ 中分配的默认固体材料便已足够。
• 其他固体部件（尤其是印刷电路板）用正交各向异性属性来描述再合适不过。将固体连续体定义为正交各向异性，然后指定各个区域中的特定属性。特定值取决于迹层的数量、厚度和密度。

  对于典型的电路板，值为 k_planar ≈ 10 W/m-K 和 k_{through plane} ≈ 0.5 W/m-K

• 通常，可以使用接触热阻将芯片表示为双电阻器热阻网络，从而将属性分配给芯片。如果没有任何电阻器网络数据，将电阻器建模为陶瓷，如氧化铝。

边界条件

将边界条件分配给加热和流体模型。

对于强制对流和自然对流：

• 指定所有空气入口和出口上的温度。
• 如果适用，分配一个边界条件来表示与周围空气的热交换。
• 如果模型外壳周围没有空气（在强制对流情况下经常发生），在边界上增加对流，用于对环境热损失建模：
  • 对于外部自然对流，h ≈ 5 – 10 W/m²-K
  • 对于外部强制对流，h > 20 W/m²-K
• 将热功率分配给每个散热组件。将热条件分配给组件区域，用于计算功率值，如下所示：
  1. 从组件产生的实际功率开始。这可以与电气设计中分配的功率不同。
  2. 考虑组件功率的作用：
     • 如果组件是功率晶体管或 IGBT，则供应其他位置的大部分电源。
     • 如果组件是射频芯片或 LED，则可发生发射功率作为射频能量或可见灯光。
     通常，剩余功率将变成热耗散掉。

对于强制对流，三种常见的情况如下：

• 风扇或入口气源推入系统的流体。指定：
  • 在入口：
    • 正流速、正压、正质量流率或风扇压力跃变
    • 环境温度
  • 在出口：
    • 压力出口边界条件 (0 Pa)
    • 环境温度（对于任何反流）
• 风扇或出口气源抽出系统的流体。指定：
  • 在入口：
    • 滞止入口边界条件 (0 Pa)
    • 环境温度
  • 在出口：
    • 负流速、负压、负质量流率或风扇压力跃变
    • 环境温度（对于任何反流）
• 系统内部的风扇。
  使用风扇交界面选项。

  • 分割用于定义交界面的边界面，这样可以仅将圆形或环形面用作特定交界面的边界。
  • 将流向从“边界-0”设为“边界-1”，根据需要在交界面上交换边界。
  • 将风扇曲线交界面定义为多项式，或者

    使用工具 > 表输入风扇曲线，然后选择该曲线。

  指定：

  • 在入口：
    • 滞止入口边界条件 (0 Pa)
    • 环境温度
  • 在出口：
    • 压力出口边界条件 (0 Pa)
    • 环境温度（对于任何反流）

对于自然对流：

• 在外部空气边界上设置以下对流条件：
  • 滞止入口边界条件 (0 Pa)
  • 总温 = 环境温度
• 在外部空气边界上设置以下辐射条件：
  • 边界透明度 = 1.0

  • 在空气连续体中指定辐射温度：

    • 室内：辐射温度 = 壁面温度。
    • 户外：在白天开启太阳能。在晚上，辐射温度 = 天空辐射温度。

求解设置

使用分离能量和分离流求解器。将亚松弛因子设为：

• 流体亚松弛因子 = 0.99
• 固体亚松弛因子 = 0.9999

将停止条件设为 300 到 500 次迭代。这通常会产生能量残差（在 1E-5 下）和力矩残差（在 1E-8 下）。

由 500,000 到 5,000,000 个网格单元组成的模型具有多达 8 个核心，可扩展性良好。

结果监视

通常，监视要从物理测试获得的相同结果。要监视的常见结果包括：

• 残差
• 模型的 3D 图像显示流体的温度和速度
• 热阻