基于Simdroid電子散熱模塊的電子設備機箱散熱設計與優(yōu)化

一、背景介紹熱設計就是通過合理的散熱方式保證良好的熱環(huán)境，確保電子設備可靠的工作。隨著電子技術的迅速發(fā)展，電子設備的結構越來越復雜，且越來越趨于小型化，散熱問題成為了影響設備可靠性的重要因素。據(jù)統(tǒng)計，電子設備有超過一半的故障是由過熱引起的，并且故障率會隨溫度升高成指數(shù)式增長。為了有效避免電子設備機箱內(nèi)溫度過高，影響電子器件正常工作，在結構設計時就需要考慮散熱。傳統(tǒng)方法是根據(jù)指標要求和工程經(jīng)驗設計出樣品，做出樣機后用環(huán)境試驗測試，根據(jù)測試發(fā)現(xiàn)的問題進行設計改進，不斷循環(huán)得到合格產(chǎn)品，其研制周期和成本都普遍較高。圖1典型電子設備機箱結構（圖片來自網(wǎng)絡）機箱機柜裝配了大量電控組件，這些組件在使用過程中散發(fā)大量熱量，如果不及時有效地將這些熱量散發(fā)到環(huán)境中，將導致設備內(nèi)元器件或部件溫度過高，影響設備運行性能，甚至引發(fā)器件損壞，降低整體設備的穩(wěn)定性和壽命。目前電子設備的散熱方式可分為自然散熱、風冷散熱、液冷散熱、熱電制冷和熱管冷卻等。風冷散熱一般指采用風扇、空調(diào)等設備對機箱機柜進行散熱，其主要特點：（1）風冷系統(tǒng)簡單可靠、安裝方便、故障率低，在北方部分城市的冬季還可以利用自然冷源對機柜進行散熱；（2）風冷散熱的本質是將設備產(chǎn)生的熱量轉移到環(huán)境中，成本遠低于其他散熱方式；（3）散熱效率相對較低。風冷散熱通過機箱內(nèi)散熱器及外表面對機箱內(nèi)電子設備散熱，散熱效率較低；（4）散熱風扇噪聲較大，影響使用者體驗。圖2典型風冷系統(tǒng)結構圖（圖片來自網(wǎng)絡）液冷冷卻通常是指利用液體冷卻介質對機柜進行冷卻，液冷冷卻系統(tǒng)通常包括直接水冷系統(tǒng)、水冷背板系統(tǒng)和環(huán)路熱管系統(tǒng)等，其主要特點：（1）散熱效率高。液冷散熱功率可達200W/cm2，是風冷散熱的20倍；（2）噪音低。液冷系統(tǒng)一般通過液冷器中循環(huán)流動的冷卻液帶走熱量，在熱源端不會引入額外噪聲；液冷系統(tǒng)的主要噪聲源為水泵，通過選取低噪音水泵配合集中隔音處理，可很好地降低整體系統(tǒng)的噪聲；（3）液冷冷卻主要存在安全風險高、易污染、安裝復雜且成本高等問題，采用水冷柜冷卻方式時，要注意防水漏水，一旦漏水會對機箱設備造成嚴重影響。圖3典型液冷機箱結構圖（圖片來自網(wǎng)絡）散熱方式多種多樣，產(chǎn)品設計研發(fā)團隊需要根據(jù)實際情況綜合考慮，選擇合適的方式。另外，現(xiàn)代數(shù)值仿真模擬技術為復雜電子機箱設備的散熱性能評估提供了全新的手段，可有效降低傳統(tǒng)的從樣品試驗到設備優(yōu)化方法帶來的時間周期和經(jīng)濟成本。本文以風冷散熱方案為例，采用數(shù)值模擬的方式，在各類機箱設計或實際運行過程中對其內(nèi)部不同結構方式、不同流體控制方式、材料傳熱性能、運行工況及太陽輻射等熱影響因素進行全面模擬，通過對機箱內(nèi)外部熱量傳播方式的分析和溫度分布及速度場的仿真計算，優(yōu)化機箱內(nèi)冷卻風道設計，加快散熱速度，降低內(nèi)部溫升，提高設備的可靠性。二、散熱仿真解決方案基于Simdroid電子散熱模塊，可以實現(xiàn)對各類戶外或室內(nèi)電子機箱機柜柜體結構及內(nèi)部電子設備的全三維建模與散熱特性仿真分析計算，并通過豐富的可視化后處理技術，對計算結果進行全面直觀的展示。采用Simdroid電子散熱模塊實施電子機箱機柜熱仿真分析的優(yōu)勢體現(xiàn)在：（1）豐富的智能元件庫及多樣化定形定位操作可實現(xiàn)快速建模。軟件自帶的智能元件庫包含多系列風扇、散熱片、芯片、熱阻、體熱源、面熱源、電路板及多孔板等電子機柜熱分析常用要素，可通過界面拖拽或數(shù)據(jù)操作便捷完成各零部件的形狀和位置確定，同時支持元件庫的自定義拓展。（2）類型豐富及可自定義拓展的材料數(shù)據(jù)庫，便于用戶直接加載材料物性為元件賦值。（3）跨尺度結構的網(wǎng)格劃分。軟件基于非結構化的笛卡爾網(wǎng)格，可快速完成復雜三維平面模型與復雜三維曲面模型的正六面體網(wǎng)格剖分，自動處理模型的重疊或覆蓋，針對不同尺度元件可實施各向異性的局部加密操作，更適合機柜內(nèi)不同尺度元件細節(jié)特征的網(wǎng)格剖分需求。（4）結構熱與流體耦合技術及豐富的熱仿真分析邊界條件。軟件具備流體及結構熱物理場耦合計算能力，支持多種方式的熱源及壁面換熱條件定義，可進行獨立的固體域傳熱分析或流體結構共軛傳熱分析計算。（5）豐富的輻射模型。軟件包含太陽輻射及豐富的熱輻射模型，滿足戶內(nèi)戶外設備從內(nèi)部到外部多樣化傳熱方式的全面模擬。（6）面向設計需求的結果呈現(xiàn)。多元化的后處理技術支持圖片、曲線、動畫、數(shù)據(jù)等形式輸出計算結果，以及同一場景下多分析變量的同步顯示。（7）批處理功能可對箱體和內(nèi)部元件的幾何、熱特性以及其他邊界進行參數(shù)化設置，批量計算，從而加快工程師的熱設計迭代工作。

圖4熱設計示意圖1、仿真流程搭建1）幾何建模。建立電子設備機箱計算模型。圖5電子機箱建模2）材料參數(shù)設定。為空氣、芯片和PCB板等定義材料屬性。

圖6

材料參數(shù)設定

3）流場與熱邊界條件設置。設置風扇參數(shù)、芯片的體熱屬性等。圖7流場與熱邊界條件設置4）求解參數(shù)設置。對湍流模型、輻射模型、環(huán)境參數(shù)等進行求解設置。圖8求解參數(shù)設置定義5）網(wǎng)格劃分。采用非結構網(wǎng)格六面體單元對流體部分與固體部分模型進行離散化。圖9網(wǎng)格劃分2、仿真結果查看分別查看溫度云圖、速度云圖和速度矢量分布，根據(jù)對仿真結果的分析，優(yōu)化熱設計方案。圖10溫度分布云圖圖11多截面場變量分布云圖圖12速度流線圖13機箱內(nèi)局部速度矢量圖14元件表面換熱系數(shù)圖15結果自動統(tǒng)計與導出三、電子散熱仿真的應用近年來，數(shù)值仿真技術結合電子產(chǎn)品行業(yè)熱設計經(jīng)驗，對產(chǎn)品中的各元件進行參數(shù)化、模塊化建模，進行快速高效的熱分析，已產(chǎn)生大規(guī)模應用于電子消費品、機房等場景的熱仿真分析軟件，大大降低了產(chǎn)品研發(fā)設計的成本，幾乎成為了熱設計行業(yè)必備的研發(fā)工具。同時，由于實驗測試僅能監(jiān)控有限點位，而仿真軟件則可以監(jiān)控產(chǎn)品內(nèi)任意位置在任意時刻的物理量變化情況，因而可以更全面地了解產(chǎn)品的物理量變化情況，使設計更加高效便捷。四、關于Simdroid電子散熱模塊Simdroid電子散熱模塊是一款針對電子器件和設備的專用熱仿真軟件，由北京云道智造科技有限公司獨立開發(fā)，具有自主知識產(chǎn)權。軟件內(nèi)置電子產(chǎn)品專用零部件模型庫，支持用戶通過“搭積木”的方式快速建立電子系統(tǒng)的熱分析模型，并利用成熟穩(wěn)定的算法計算流動與傳熱問題，實現(xiàn)對電子系統(tǒng)的熱可靠性分析。電子散熱分析模塊可成熟應用在通訊制造業(yè)、電子元件制造業(yè)、軍工以及航空航天等工業(yè)中。在產(chǎn)品設計初期，工程師能夠以更加智能的方式創(chuàng)建仿真模型，對系統(tǒng)設計方案進行快速評估，識別潛在設計風險。電子散熱模塊的前處理功能具備電子設備的智能原件模型（包括：立方體、斜面、平面流動阻尼、平面（可建孔）、機箱/薄壁機箱、熱源、孔、組合體、平面熱源、圓柱體、電路板、軸流風扇、棱柱、芯片、平面風扇、管道、散熱器、開口流動、離心風扇、流動阻尼、鼓風機、空調(diào)、半導體制冷器、平面區(qū)域、回風面、監(jiān)控點、多孔板、出風面、體積區(qū)域、雙熱阻封裝模型、熱網(wǎng)絡模型），能夠快速準確地完成各種電子散熱場景的建模。同時，前處理具備基礎幾何模型、典型電子器件模型、以及基于元件熱源特性和阻尼特性的簡化模型，用戶可在CAD模型上添加熱源和熱邊界，實現(xiàn)復雜設備中的流動傳熱分析。軟件具備主流CAD軟件生成的復雜幾何模型導入接口，可利用ECXML文件導入FloTHERM或Icepak軟件的幾何數(shù)據(jù)。

電子散熱模塊具備非結構化六面體網(wǎng)格剖分功能，支持數(shù)億量級網(wǎng)格單元數(shù)量。軟件能夠采用非連續(xù)的多面體網(wǎng)格剖分技術實現(xiàn)cutcell網(wǎng)格；支持局部加密網(wǎng)格和設置邊界層網(wǎng)格；具備半自動網(wǎng)格剖分技術，自動識別并調(diào)整固體邊界網(wǎng)格密度；支持網(wǎng)格統(tǒng)計與網(wǎng)格質量檢測。

電子散熱模塊具備層流與湍流求解功能，湍流模型具備k-e、k-omega（SST）、增強型與代數(shù)湍流模型，可進行穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)散熱分析。軟件能夠計算熱傳導、自然對流、液冷與強迫風冷、熱輻射與太陽輻射問題，可處理多種不同材料的固體間熱傳導；求解器可支持自動添加初始場，具備物理量監(jiān)測點、檢測區(qū)域與計算控制等通用的求解參數(shù)設置。

電子散熱模塊具備物理量的切片、云圖、等值面、流線形式的可視化后處理功能，可統(tǒng)計所有元件的溫度、傳熱量和流量數(shù)據(jù)；支持所有智能模型的溫度、導熱、對流、輻射傳熱量、流量等物理數(shù)據(jù)的讀取，并可導出為Excel文件。

軟件支持主流操作系統(tǒng)，例如Windows7、Windows10系列版本和Linux版本（如麒麟、鯤鵬）等；支持國產(chǎn)硬件系統(tǒng)，適配X86和ARM硬件架構。申請試用Simdroid電子散熱模塊：訪問Simapps平臺—開發(fā)者—仿真工具五、關于SimdroidSimdroid（中文名“伏圖”）是云道智造自主研發(fā)的通用多物理場仿真PaaS平臺，具備自主可控的隱式結構、顯式動