ANSYS CFX在电子机箱散热中的应用

边 疆，闫兆军

(1.总装备部武汉军代局驻郑州军代室，河南郑州450047;2.中航光电科技股份有限公司，河南洛阳471003)

1 引言

近年来，电子技术的发展主要呈现以下几种趋势［1～2］:①电子系统的集成度越来越高，其热流密度不断增加;②电子产品向微型化方向发展，功率更大而外形尺寸越来越小;③电子产品已经渗透到各个领域，其用环境不断扩大，所使用的热环境差异很大。电子产品的这些发展趋势使得电子设备过热的问题越来越突出。研究资料表明，半导体的温度升高 ，可靠性降低［3］;对电子设备而言，温度每降低1，其失效率将下降4%。因此，对电子产品进行热设计，采取有效的热设计方案是提高产品可靠性的关键。

有效合理的热分析是电子设备结构热设计的前提。电子设备的热仿真分析能够比较真实的模拟系统的热状况，在产品设计的初期，利用热仿真软件对热设计方案进行建模、热场分析及仿真，能够发现产品的热缺陷，从而改进其结构设计，缩短电子产品的开发周期，减少设计、生产、再设计和再生产的费用，为提高产品设计的合理性及可靠性提供有力保障。

2 ANSYS ICEM-CFD/CFX软件介绍

ANSYS ICEMCFD是一款世界顶级的CFD前后处理器，为所有世界流行的CFD软件提供高效可靠的分析模型。除了提供其它软件具有的普通的前后处理功能外，其强大的CAD模型修复能力，独特的网格“雕塑”技术以及网格编辑技术是它的三大特点。

ANSYS CFX系列软件是拥有世界级先进算法的成熟商业流体计算软件。CFX软件提供了从网格到流体计算以及后处理的整体解决方案。核心模块包括 CFX－Mesh、CFX－Pre、CFX－Solver和CFX－Post四部分。其中，CFX－Solver是 CFX软件的求解器，是CFX软件的内核。

联合仿真过程通常有三种功能，分别用于前端处理、计算和结果数据生成以及后处理，其工作流程如下图1所示。

图1 ANSYS ICEM－CFD和CFX工作流程图

3 应用案例:某液冷电子机箱的热分析

下面结合工程对象－某液冷电子机箱，对CFX在电子机箱热分析中的思路方法进行说明。通过这个案例，可以了解CFX在电子设备热分析中的应用。

3.1 问题描述

模型中主要包括一个机箱，一个液冷流道，一个封装模块，一块PCB板及热源，其中原始模型的基本参数如下:

液冷流道:材料为防锈铝LF16;

热源:材料为硬铝，发热功率为6W;

封装模块:材料为硬铝，等效的发热功率为60W;

流道入口的质量流量为0.395kg/s。

液冷机箱模型结构如图2所示。

图2 机箱CAD模型

3.2 CAD模型简化与流道模型生成

模型的简化就是在保证准确性的前提下，简化机箱CAD模型中一些对热分析影响很小的零件及零件中对热分析影响很小的特征。

简化的基本思想是“着眼于整体特征而不及其余”，因为这些细节对问题求解的影响很小，因而可以忽略。细节可否删除，要多方面考虑，诸如分析目标，细节在结构中的位置等，究竟结构中哪些部分可以作为细节而删除，什么样的细节在什么情况下对求解问题不会有很大的影响而可以忽略，目前还没有统一的标准，也未见到有归纳性的文献，只能具体问题具体分析。

针对本案例，经过反复调试与讨论，简化后的模型如图3所示。

在WorkBench环境下，采用“包络体”方法生成流道的CAD模型，如图4所示。

图3 简化后的机箱模型

图4 流道CAD模型

3.3 网格划分与求解

在整个液冷机箱中，流道形状复杂，尤其是在进/出口处，有较多的弯角、转折特征，且流道的网格质量决定整个模型求解的正确性，因此单独对流道进行网格划分。在ICEMCFD中采用BLOCK块的方式，生成高质量的全六面体网格，对流道的进/出口处采用O－Grid嵌套的方法进行划分。从网格的质量来看，反映了模型的形状特征，特别是流道的拐弯转折处，没有产生畸变。图5、图6为流道出/入口的网格及BLOCK视图，图7为流道整体的网格及BLOCK视图。流道的网格信息如下:

Nodes:101443 节点数

Elements:123782 单元数

图5 流道入口处网格及其BLOCK图

图6 流道出口处网格及其BLOCK图

图7 流道整体网格及其BLOCK图

对液冷机箱的其它部分划分四面体网格，在ICEMCFD环境下，实现网格的装配，保存网格文件格式为.cfx5，图8为液冷机箱的整体装配网格视图。将网格文件导入CFX－Pre环境下，如图9所示。设定最稳健的边界条件，流固交界面网格采用GGI连接方式，如图10所示，选择SST湍流模型，流道内冷却剂为水，入口流量为0.395kg/s，入口温度设定为25℃，将前处理文件保存并导入CFX－Solver求解模块进行计算，由于有很高的网格质量及合理的边界条件，残差曲线很快收敛。

图9 导入CFX中的热分析模型

图10 进/出口交接面网格视图

3.4 后处理与仿真结果分析

模型求解结束以后，在CFX－Post环境下进行结果的后处理，常用的后处理模型有:物体表面温度分布云图、剖面云图、速度矢量图及压力分布云图。图11、图12、图13分别为封装模块、印制板及热源表面的温度分布云图。图14、图15为流场内速度矢量图。

图11 封装模块表面温度分布云图

图12 印制板表面温度分布云图

图13 热源表面温度分布云图

印制板上的芯片热源为6×3的阵列，每个芯片的发热量都为6W。封装模块等效为一个体热源，功率为60W，印制板表面温度的最大值为53.51，芯片热源靠近冷板的温度较低，远离冷板的温度较高，中间的芯片表面温度的最大值为53.75。由于热源在印制板上的均匀分布，且冷板内冷却剂高效的对流换热性，电路板表面温度分布，封装模块表面温度及热源表面温度分布有对称性，如图11、图12、图13所示。

图14 流场内速度矢量图

图15 中间冷板速度矢量图

从速度矢量图14、图15可以看到，流道内流体的最大速度为37m/s，入口流量为0.395kg/s，小孔直径为4mm，则小孔处的截面平均速度为:

式中，Q——小孔处流量;d——小孔直径;

ρ——冷却剂的密度。

计算可得小孔界面平均速度为31.4m/s，可见切面速度最大值为37m/s的仿真结果是可信的。冷却剂从孔口以较大速度喷射出来，流动状态为剧烈紊流。从流道切面的速度矢量图上可以看到，流道内速度比较均匀，达到了设计效果。

从后处理中查看流道出入口的平均温度值，入口平均温度为25℃。由于机箱中目前装入的印制电路板插件和模块插件只有一个，耗散热量较小，为168W，出口温度的平均值为25.076℃。则通过冷却剂流动带走的热量为:

Φ=qmCp(t2－t1)

式中，Φ——液体冷却带走的耗散热量(W);

qm——冷却剂质量流量(kg/s);

Cp——冷却剂定压比热(J/(kg·℃));

t1——冷却剂入口温度(℃);

t2——冷却剂出口温度(℃)。

可以计算出冷却剂吸收的热量为147.6W，与机箱内耗散热量168W相差很小，保证了能量守恒，误差可能为计算出口温度的平均值产生。

3 结论

查看流体出入口的温度，计算流体带走的热量，与模型中的耗散热量相差较小，能反应模块与机箱的实际情况，符合能量守恒定律;相同热源的阵列，热源表面温度有对称性;计算流道内流体的平均速度，与仿真结果中的速度矢量图对比，速度相差较小。通过对工程实际对象仿真结果分析，表明仿真结果的合理性，验证了整个论文中关于“建模模型简化”包络体“方法生成流道网格划分及装配边界条件设置及求解计算结果后处理”的思想方法的正确性，对以后该类电子产品热分析热设计工作具有一定的借鉴意义。

［1］ 顾林卫.热控制技术的新进展.舰船电子对抗，2007，30(4):108－110.

［2］ 吕永超，杨双根.电子设备热分析，热设计及热测试技术综述及最新进展.电子机械工程，2007，23(1):5－10.

［3］ 顾子天，计算机可靠性理论与实践［M］.成都:电子科技大学出版社，1994.