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(shù)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(chǎn)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(chǎn)品已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域，其用環(huán)境不斷擴(kuò)大，所使用的熱環(huán)境差異很大。電子產(chǎn)品的這些發(fā)展趨勢使得電子設(shè)備過熱的問題越來越突出。研究資料表明，半導(dǎo)體的溫度升高 ，可靠性降低［3］;對(duì)電子設(shè)備而言，溫度每降低1，其失效率將下降4%。因此，對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，采取有效的熱設(shè)計(jì)方案是提高產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵。

有效合理的熱分析是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)的前提。電子設(shè)備的熱仿真分析能夠比較真實(shí)的模擬系統(tǒng)的熱狀況，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期，利用熱仿真軟件對(duì)熱設(shè)計(jì)方案進(jìn)行建模、熱場分析及仿真，能夠發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的熱缺陷，從而改進(jìn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，縮短電子產(chǎn)品的開發(fā)周期，減少設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、再設(shè)計(jì)和再生產(chǎn)的費(fèi)用，為提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jí)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(qiáng)大的CAD模型修復(fù)能力，獨(dú)特的網(wǎng)格“雕塑”技術(shù)以及網(wǎng)格編輯技術(shù)是它的三大特點(diǎn)。

ANSYS CFX系列軟件是擁有世界級(jí)先進(jìn)算法的成熟商業(yè)流體計(jì)算軟件。CFX軟件提供了從網(wǎng)格到流體計(jì)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(nèi)核。

聯(lián)合仿真過程通常有三種功能，分別用于前端處理、計(jì)算和結(jié)果數(shù)據(jù)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(yīng)用案例:某液冷電子機(jī)箱的熱分析

下面結(jié)合工程對(duì)象－某液冷電子機(jī)箱，對(duì)CFX在電子機(jī)箱熱分析中的思路方法進(jìn)行說明。通過這個(gè)案例，可以了解CFX在電子設(shè)備熱分析中的應(yīng)用。

3.1 問題描述

模型中主要包括一個(gè)機(jī)箱，一個(gè)液冷流道，一個(gè)封裝模塊，一塊PCB板及熱源，其中原始模型的基本參數(shù)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(zhì)量流量為0.395kg/s。

液冷機(jī)箱模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)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(zhǔn)確性的前提下，簡化機(jī)箱CAD模型中一些對(duì)熱分析影響很小的零件及零件中對(duì)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?yàn)檫@些細(xì)節(jié)對(duì)問題求解的影響很小，因而可以忽略。細(xì)節(jié)可否刪除，要多方面考慮，諸如分析目標(biāo)，細(xì)節(jié)在結(jié)構(gòu)中的位置等，究竟結(jié)構(gòu)中哪些部分可以作為細(xì)節(jié)而刪除，什么樣的細(xì)節(jié)在什么情況下對(duì)求解問題不會(huì)有很大的影響而可以忽略，目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，也未見到有歸納性的文獻(xiàn)，只能具體問題具體分析。

針對(duì)本案例，經(jīng)過反復(fù)調(diào)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(luò)體”方法生成流道的CAD模型，如圖4所示。

圖3 簡化后的機(jī)箱模型

圖4 流道CAD模型

3.3 網(wǎng)格劃分與求解

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

Nodes:101443 節(jié)點(diǎn)數(shù)

Elements:123782 單元數(shù)

圖5 流道入口處網(wǎng)格及其BLOCK圖

圖6 流道出口處網(wǎng)格及其BLOCK圖

圖7 流道整體網(wǎng)格及其BLOCK圖

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

圖9 導(dǎo)入CFX中的熱分析模型

圖10 進(jìn)/出口交接面網(wǎng)格視圖

3.4 后處理與仿真結(jié)果分析

模型求解結(jié)束以后，在CFX－Post環(huán)境下進(jìn)行結(jié)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(nèi)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(gè)芯片的發(fā)熱量都為6W。封裝模塊等效為一個(gè)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(yuǎn)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(nèi)冷卻劑高效的對(duì)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(duì)稱性，如圖11、圖12、圖13所示。

圖14 流場內(nèi)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(nèi)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(jì)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(jié)果是可信的。冷卻劑從孔口以較大速度噴射出來，流動(dòng)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(nèi)速度比較均勻，達(dá)到了設(shè)計(jì)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(jī)箱中目前裝入的印制電路板插件和模塊插件只有一個(gè)，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(dòng)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(zhì)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(jì)算出冷卻劑吸收的熱量為147.6W，與機(jī)箱內(nèi)耗散熱量168W相差很小，保證了能量守恒，誤差可能為計(jì)算出口溫度的平均值產(chǎn)生。

3 結(jié)論

查看流體出入口的溫度，計(jì)算流體帶走的熱量，與模型中的耗散熱量相差較小，能反應(yīng)模塊與機(jī)箱的實(shí)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(duì)稱性;計(jì)算流道內(nèi)流體的平均速度，與仿真結(jié)果中的速度矢量圖對(duì)比，速度相差較小。通過對(duì)工程實(shí)際對(duì)象仿真結(jié)果分析，表明仿真結(jié)果的合理性，驗(yàn)證了整個(gè)論文中關(guān)于“建模模型簡化”包絡(luò)體“方法生成流道網(wǎng)格劃分及裝配邊界條件設(shè)置及求解計(jì)算結(jié)果后處理”的思想方法的正確性，對(duì)以后該類電子產(chǎn)品熱分析熱設(shè)計(jì)工作具有一定的借鑒意義。

［1］ 顧林衛(wèi).熱控制技術(shù)的新進(jìn)展.艦船電子對(duì)抗，2007，30(4):108－110.

［2］ 呂永超，楊雙根.電子設(shè)備熱分析，熱設(shè)計(jì)及熱測試技術(shù)綜述及最新進(jìn)展.電子機(jī)械工程，2007，23(1):5－10.

［3］ 顧子天，計(jì)算機(jī)可靠性理論與實(shí)踐［M］.成都:電子科技大學(xué)出版社，1994.