熱仿真軟件的選擇

leonchen 2019-11-27

電子產(chǎn)品散熱領(lǐng)域最常用的軟件有Flotherm，Icepak和6SigamaET三款。其中Flotherm和Icepak的應(yīng)用尤其廣泛。由于產(chǎn)品研發(fā)周期越來(lái)越短，電子產(chǎn)品散熱問題越來(lái)越復(fù)雜，作為熱設(shè)計(jì)輔助工具，熱仿真軟件的高效率、低成本以及便捷的可視化分析，使其在熱設(shè)計(jì)中的作用越來(lái)越突出。

就一般的應(yīng)用來(lái)講，Flotherm建模方便快速，相對(duì)容易上手。為了提高建模和計(jì)算效率，Flotherm提供了大量的smartparts快速建模的宏命令，摒棄了繁雜的模型篩選，無(wú)論是幾何建模，網(wǎng)格劃分，還是流動(dòng)、傳熱模型的篩選，自動(dòng)化程度都很高。而且通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂疲绻Ｐ驮O(shè)置合理，計(jì)算精度可以滿足常規(guī)電子散熱設(shè)計(jì)的要求。

相對(duì)于Flotherm，對(duì)于常規(guī)的電子產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)來(lái)講，Icepak的核心優(yōu)勢(shì)是支持非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，從而可以更加便捷、更高精度地支持曲面結(jié)構(gòu)。Icepak可以直接對(duì)導(dǎo)入的CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格離散化這一點(diǎn)往往被誤認(rèn)為Icepak更簡(jiǎn)單，實(shí)際情況正好相反。由于支持非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和接受不加修飾的原生CAD對(duì)象，Icepak的前處理，尤其是網(wǎng)格劃分部分，遠(yuǎn)比Flotherm復(fù)雜。當(dāng)模型中導(dǎo)入了CAD結(jié)構(gòu)后，其網(wǎng)格處理不當(dāng)導(dǎo)致計(jì)算無(wú)法開始或求解無(wú)法收斂是極常見的問題。如果異形體的網(wǎng)格質(zhì)量沒有得到合理控制，其計(jì)算精度可能還不如將各曲面簡(jiǎn)化為直方直棱的、使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格就可完美描述的對(duì)象進(jìn)行仿真。而如果簡(jiǎn)化為這樣的對(duì)象的話，Flotherm也可處理。同為處理結(jié)構(gòu)化對(duì)象時(shí)，Flotherm的建模效率則會(huì)明顯勝出。

圖15-5 Icepak中支持的網(wǎng)格（Flotherm只支持第一種）

另外，Icepak中還集成了更多的湍流和輻射模型，通過(guò)分析具體案例，正確選擇合適的模型，確實(shí)可以得到精度相對(duì)較高的結(jié)果，但這無(wú)疑需要更多流體力學(xué)，傳熱學(xué)，甚至CFD計(jì)算理論方面的知識(shí)。Icepak可以實(shí)現(xiàn)精度更高的仿真，但這建立在使用者對(duì)數(shù)值仿真理解更深刻的前提下。

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

注：圖示并未展示出Icepak中支持的全部湍流模型，打開軟件滑動(dòng)右側(cè)進(jìn)度條可知，Ansys Icepak V19.2還支持K-Omega SST湍流模型。

Icepak的優(yōu)勢(shì)除了模型豐富，對(duì)于液冷產(chǎn)品的仿真也有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于流動(dòng)通道截面往往是圓形或類圓形，Icepak可以通過(guò)使用流體塊對(duì)象，結(jié)合Ansys平臺(tái)中的直接建模工具Spaceclaim方便地建出這些異形的液體流道，而Flotherm則只能拼接近似，即使通過(guò)FloMCAD導(dǎo)入，一般也會(huì)產(chǎn)生很多數(shù)量的塊體拼接元。

Icepak另一天然優(yōu)勢(shì)則是Ansys中的Workbench平臺(tái)給予的。在做綜合性仿真時(shí)，它的計(jì)算結(jié)果可以直接在電磁（HFSS/Maxwell/Q3D）和結(jié)構(gòu)應(yīng)力（Static Structural, Steady-State Thermal, Transient Structural, or Transient Thermal）之間進(jìn)行傳遞。對(duì)于普通的電子散熱，這可能應(yīng)用不多，但對(duì)于芯片層面的熱設(shè)計(jì)分析，這一功能與Flotherm相比，短時(shí)間內(nèi)有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

圖15-7 Icepak和Flotherm綜合對(duì)比

6SigamaET也可以直接導(dǎo)入CAD文件，為了更好處理曲面，它引入了多級(jí)網(wǎng)格和浸入邊界法數(shù)值處理。這與FloEFD和Flotherm XT中的網(wǎng)格技術(shù)類似。這三個(gè)軟件中的宏觀網(wǎng)格均是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格全部是方形，在曲面邊界處，方形網(wǎng)格必將被曲面所切分，即固體曲面邊界處的部分網(wǎng)格將同時(shí)包含固體和流體（圖15-8），這類網(wǎng)格稱為混合網(wǎng)格。多級(jí)網(wǎng)格實(shí)質(zhì)上是在固液邊界處根據(jù)既定規(guī)則自動(dòng)裂解網(wǎng)格達(dá)到局部智能加密的效果，而浸入邊界法則是處理混合網(wǎng)格，這兩者均需要完整的CAD幾何數(shù)據(jù)用來(lái)精準(zhǔn)識(shí)別固液邊界。浸入邊界法數(shù)值處理中，混合網(wǎng)格內(nèi)的控制方程與常規(guī)網(wǎng)格略有不同，為模擬邊界的熱、力效應(yīng)，方程中將根據(jù)理論假設(shè)施加力、熱加源項(xiàng)。6SimgaET建?？焖俑咝?，網(wǎng)格劃分智能、容錯(cuò)率高，也非常適宜對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行熱仿真。