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热仿真软件的选择

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电子产品散热领域最常用的软件有FlothermIcepak6SigamaET三款。其中FlothermIcepak的应用尤其广泛。由于产品研发周期越来越短,电子产品散热问题越来越复杂,作为热设计辅助工具,热仿真软件的高效率、低成本以及便捷的可视化分析,使其在热设计中的作用越来越突出。

就一般的应用来讲,Flotherm建模方便快速,相对容易上手。为了提高建模和计算效率,Flotherm提供了大量的smartparts快速建模的宏命令,摒弃了繁杂的模型筛选,无论是几何建模,网格划分,还是流动、传热模型的筛选,自动化程度都很高。而且通过适当的控制,如果模型设置合理,计算精度可以满足常规电子散热设计的要求。

相对于Flotherm,对于常规的电子产品散热设计来讲,Icepak的核心优势是支持非结构化网格,从而可以更加便捷、更高精度地支持曲面结构。Icepak可以直接对导入的CAD模型进行网格离散化这一点往往被误认为Icepak更简单,实际情况正好相反。由于支持非结构化网格和接受不加修饰的原生CAD对象,Icepak的前处理,尤其是网格划分部分,远比Flotherm复杂。当模型中导入了CAD结构后,其网格处理不当导致计算无法开始或求解无法收敛是极常见的问题。如果异形体的网格质量没有得到合理控制,其计算精度可能还不如将各曲面简化为直方直棱的、使用结构化网格就可完美描述的对象进行仿真。而如果简化为这样的对象的话,Flotherm也可处理。同为处理结构化对象时,Flotherm的建模效率则会明显胜出。

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15-5 Icepak中支持的网格(Flotherm只支持第一种)


另外,Icepak中还集成了更多的湍流和辐射模型,通过分析具体案例,正确选择合适的模型,确实可以得到精度相对较高的结果,但这无疑需要更多流体力学,传热学,甚至CFD计算理论方面的知识。Icepak可以实现精度更高的仿真,但这建立在使用者对数值仿真理解更深刻的前提下。

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15-6 Flotherm V12.1(左)和IcepakAnsys Icepak V19.2


注:图示并未展示出Icepak中支持的全部湍流模型,打开软件滑动右侧进度条可知,Ansys Icepak V19.2还支持K-Omega SST湍流模型。

Icepak的优势除了模型丰富,对于液冷产品的仿真也有明显的优势。由于流动通道截面往往是圆形或类圆形,Icepak可以通过使用流体块对象,结合Ansys平台中的直接建模工具Spaceclaim方便地建出这些异形的液体流道,而Flotherm则只能拼接近似,即使通过FloMCAD导入,一般也会产生很多数量的块体拼接元。

Icepak另一天然优势则是Ansys中的Workbench平台给予的。在做综合性仿真时,它的计算结果可以直接在电磁(HFSS/Maxwell/Q3D)和结构应力(Static Structural, Steady-State Thermal, Transient Structural, or Transient Thermal)之间进行传递。对于普通的电子散热,这可能应用不多,但对于芯片层面的热设计分析,这一功能与Flotherm相比,短时间内有不可替代的优势。

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15-7 IcepakFlotherm综合对比


6SigamaET也可以直接导入CAD文件,为了更好处理曲面,它引入了多级网格和浸入边界法数值处理。这与FloEFDFlotherm XT中的网格技术类似。这三个软件中的宏观网格均是结构化网格。结构化的网格全部是方形,在曲面边界处,方形网格必将被曲面所切分,即固体曲面边界处的部分网格将同时包含固体和流体(图15-8),这类网格称为混合网格。多级网格实质上是在固液边界处根据既定规则自动裂解网格达到局部智能加密的效果,而浸入边界法则是处理混合网格,这两者均需要完整的CAD几何数据用来精准识别固液边界。浸入边界法数值处理中,混合网格内的控制方程与常规网格略有不同,为模拟边界的热、力效应,方程中将根据理论假设施加力、热加源项。6SimgaET建模快速高效,网格划分智能、容错率高,也非常适宜对电子产品进行热仿真。

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15-8 6SigamaET/Flotherm XT对异形体的网格处理

参考文献:

本篇节选自:陈继良.从零开始学散热.第十五章 

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