第15章 热仿真软件的功能、原理和使用方法¶
时间延长。因此，网格密度需要找到求解精度和求解效率之间的平衡点。
15.3）热仿真软件的选择¶
电子产品散热领域最常用的软件有 Flotherm、Icepak 和 6SigamaET 三款。其中 Flotherm 和 Icepak 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，因此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，那么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，那么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，那么 Flotherm 也可处理，如图 15-5 所示。同为处理结构化对象时，Flotherm 的建模效率则会明显胜出。
另外，Icepak 中还集成了更多的湍流和辐射模型，如图 15-6 所示，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。
注意，图中并未展示出 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，故 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 另一个天然优势则是 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, 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。Icepak 和 Flotherm 综合对比如图 15-7 所示。
6SigamaET 也可以直接导入 CAD 文件，为了更好地处理曲面，它引入了多级网格和浸入边界法数值处理。这与 FloEFD 和 Flotherm 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（见图 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以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，
图 15-7 Icepak 和 Flotherm 综合对比
| Icepak | Flotherm |
| 便捷地处理曲面 可使用非结构化网格 辐射模型算法丰富 湍流模型多样，效率高，准确度高 计算结果可以与workbench中其他软件交互 | 处理曲面比较麻烦 只能使用结构化网格 辐射模型只有蒙特卡洛法 湍流模型单一，准确度相对较低 计算结果不能与其他软件进行交互 |
| 建模麻烦，网格划分操作略艰涩，模型多样，上手困难 | 建模方便，网格划分简便，模型单一，效率高，容易上手 |
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。
15.4 热仿真软件的合理使用¶
归根结底，热仿真软件只是一个工具。能否科学使用，决定了它到底是创造价值，还是浪费时间和资源。热仿真通常以图 15-9 所示步骤进行。
15.4.1 信息收集¶
热仿真的目的是对产品散热风险进行评估和分析。正确进行仿真的前提是全面理解会对产品散热产生影响的各类因素。本书不断强调热设计的综合性，几乎产品任何形态、材料属性、运行条件等的变更都会对散热造成影响，如果在无法理解这些因素的影响机制前就使用软件对产品进行散热分析，则极有可能获得错误的结果，从而走向错误的设计方向。在进行热仿真前，需要与产品经理、结构工程师、硬件工程师、软件工程师、工业设计工程师等深入沟通，确认、收集表 15-1 列出的散热相关信息。
表 15-1 热仿真必要信息清单
| 序号 | 信息类别 | 备注 |
| 1 | 环境定义 | 产品的工作环境要求,包括环境温度、湿度、海拔、有无阳光直射 |
| 2 | 安装方式 | 建模时考虑周围器件、墙壁等对设备的影响 |
| 3 | 尺寸信息 | 结构3D图档,获得各组件的几何信息 |
| 4 | 功耗信息 | 整机热耗,具体模块及关键芯片热耗 |
| 5 | PCB布局 | 器件在PCB上的位置分布 |
| 6 | 器件规格 | 器件热特性参数,如热阻、封装信息和温度规格等 |
| 7 | 材料信息 | 机箱和内部各结构件材质、表面处理等相关材料信息 |
| 8 | 散热方式 | 自然散热、强迫风冷、液体冷却 |
15.4.2 几何建模和属性赋值¶
信息收集完成后，需要在热仿真软件中建出能够反映实际产品热特性的物理模型。这一过程需要准确理解仿真软件的几何建模操作和各属性赋值方法。
热仿真软件的几何建模能力远远不如专业的结构画图软件，而且越复杂的结构，耗费的计算时间也越长。在确保仿真结果准确度的前提下对模型进行合理的简化是仿真建模中的一大难题。热仿真模型的简化有四种方法。
1）使用软件自带的智能元件：如图 15-10 所示，Flotherm 和 Icepak 等热仿真专用软件中集成了许多可便捷调用的智能元件，它可以使用简单的块状对象来模拟原本极为复杂的部件（风扇、泵、热管等）。例如，风扇是强迫风冷设计中的核心物料，但其结构复杂，风扇扇叶附近的流场也非常复杂。这三个软件都提供了简化的风扇模块，使用者可以直接输入尺寸信息和风扇的 PQ 线来对风扇进行建模，方便快捷，且精度一般也可满足仿真要求。熟练使用智能元件来建模可以大幅提高建模效率，并降低网格量，缩减计算时间。
2）删除结构图中不影响散热表现的螺钉、按键等特征，将一些曲面特征用规六面体块、四面体块、框体、散热器、阻力元件、发热源、单板、斜板、轴流风扇、固定流、多孔板、热管、TEC、域、芯片、循环模块、圆柱、开孔等热阻网络、换热器模块、开孔、多孔板、热源、单板、框体、二维平板、墙、块、轴流扇、离心扇、阻力元件、散热器、芯片等
图 15-10 Flotherm 和 Icepak 中的智能元件
a）Flotherm 中的智能元件 b）Ansys Icepak 中的智能元件
则形状的对象替代，如图 15-11 所示。
15.4.3 网格划分¶
前文的计算原理章节中强调了网格划分是决定热仿真结果可信的关键因素。网格划分的目的是将连续的求解域裂解成有限个求解控制体，使得原本在物理空间中存在的无限多个数值变成有限个数值。如图 15-13 所示，在一个方形面中，实际上存在无限多个点。但数值计算无法处理无限大的数据量，可以通过使用网格来对该面进行切分，将无限多个数据点使用有限个数值进行代替。在同一个网格覆盖的区域内，速度、温度、压强等所有物理量都是相同的。这样，网格的数量和尺寸就可以表征切分的精细度。当该面的物理量变化并不大时，可以采用较为粗略的网格，但当变化幅度较大或分布复杂时，就需要使用更为细密的网格。
网格越多，物理空间中物理量的变化越能被准确地捕捉到，但也因此会耗费更多的计算资源和计算时间。网格划分时，在流速、温度变化较大的区域，建议使用更精细的网格，而对于流速、温度变化平缓的区域，则可使用稀疏网格。如图 15-14 所示模型，在风扇、散热器区域附近，风速、压强、温度等变化较快，网格较密。而在电源、产品外壳外部，则使用稀疏网格，如图 15-15 所示。
求解精度和求解效率之间的网格密度平衡点并不容易找到，为确保实际网格在这个平衡点附近，可以进行网格独立性试验。网格独立性试验的意思是对于一个完全相同的模型，仅做网格加密的动作来对比仿真结果，当仿真结果不再随网格密度的增加而变化时，就认为当前的网格精度已满足要求。这对于一个可能会多次微调结构进行模拟计算的模型非常必要。
15.4.4 模型设置¶
模型设置要结合具体的产品散热场景。常用的热仿真软件中的默认设置适用于绝大多数问题。但对于一些特殊的工作场景，仍需要使用者输入。常见的模型设置注意事项有：
备本身，有强烈回流的强迫风冷设备也需要扩展求解域。
电子产品的工作场景复杂多样，仿真建模需要结合具体的物理场景对模型进行合理设定。必要时，为得到准确的计算结果，甚至需要对软件采用的离散方式、湍流模型和松弛因子等细节求解参数进行调整。如果想要从根本上提高并理解热仿真的精度，CFD 理论是必须要了解的知识。
15.4.5 求解计算和后处理¶
当完成网格划分和各项模型设定后，就可以开始计算。计算由计算机自动完成，无需干涉。当达到规定的收敛标准或最大计算步数后，计算自动停止。
热仿真的目的是分析散热方案的效果，因此计算结果的后处理是关键的一环。相同的仿真，在不同人手中发挥的作用可能完全不一样，这就体现在问题分析能力上。目前主流的热仿真软件可以实现的后处理功能丰富多样，可以满足常规的散热问题分析。后处理中重要的、可用来分析散热问题的方式有如下：
工作于低压区时，则可查看是否有低风压、大风量、低噪声的风扇可选。当系统有多个风扇时，通过查看不同位置处风扇的工作点，还可定性对比不同风路上的风阻大小，为进一步管理系统风量提供参考。
15.5 本章小结¶
不可否认，热仿真在热设计中的作用正越来越重要。但归根结底，热仿真仍然只是热设计的一个工具。一个合格的热设计工程师应能够通过查看仿真结果，从工程实际的角度提出具体的散热优化方案，而不是仅仅用仿真软件获得这些结果。另外，由于热仿真精度影响因素繁多（功耗信息、结构简化合理性、网格精度、各对象物性参数准确度、数值计算模型本身的误差等），因此工程师不应盲目根据仿真结果来判定散热方案是否合理。在现阶段，热测试仍然是检验产品散热是否满足要求的根本手段。
第 16 章¶
常见电子产品热设计实例¶
热设计工程师的根本职责是解决产品散热问题。这分为两个部分：
本书前 15 章分述了电子产品热设计中需要用到的理论知识，从工程热设计角度对各类散热物料进行了解读，还详述了与热设计不可分割的噪声、风扇调速、热测试及热仿真的相关基础知识。本章将从应用角度出发，分析常见产品的散热设计思路，阐述如何使用这些知识实现优秀的产品热设计方案。
16.1 自然散热产品¶
自然散热方式的优缺点和选择该散热方式的依据见第 4 章。
自然散热的核心缺点是散热能力较差，这意味着当电子产品功耗密度提升时，自然散热类产品将触及 “功耗墙”，散热问题会在某个拐点成为产品的关键技术难题，甚至成为制约产品体验的核心因素。在 2010 年以前，极少有厂商在宣传产品时重点提及散热设计，而如今，手机、笔记本、汽车电子甚至桌面电脑等产品，越来越多地关注热设计的先进程度。
由于综合性的原因，散热设计的具体优化方案必须结合实际产品情况进行。首先需要从热设计角度出发，列出所有可能的散热优化方案或努力方向，然后分析具体产品特征，综合考量外观、结构、硬件、软件、成本、时间、可靠性等所有产品层面的需求，敲定具备可行性的方案并实施。
对自然散热产品进行优化散热时，可从以下几个方面考虑：
下面通过分析几类产品的设计形态，来阐述这些方法在具体产品中的应用。为强化理解和便于进一步查询，在下述每种产品的设计总结表中，均将各种优化手段对应的考虑方面与上述 11 条进行一一对应，并指出了其所在章节。
16.1.1 超薄平板电脑¶
目前来讲，受限于空间，超薄平板电脑一般采用自然散热设计。下面以 AC-ER Switch Alpha 12 为例，解读它使用的散热设计方案。Switch Alpha 12 是 Acer 于 2016 年推出的宣称搭载创新 LiquidLoop 液冷散热的二合一超薄平板电脑，其内部散热结构如图 16-1 所示。
产品右侧被电池占去，左边则是电路板。从内部结构图上看，内部热量转移路径如下：
3）在流体持续蒸发和冷凝的过程中，CPU 的热量被均散到整个产品空间中，最终通过设备外壳散失到环境中。
对于室内自然散热产品，热量终归要全部通过外壳散失到空气中去。这样，如何充分利用外壳就成为关键。Acer 使用的 LiquidLoop 技术，实际上就是环路热管（Loop Heat Pipe，LHP），它可以非常有效地将热量均散开来，如图 16-2 所示。第 9 章有关于传统热管工作原理的详细解读。LHP 从传统热管的基础上发展而来，内部进行的都是相变换热，不过它的毛细结构只在蒸发器吸热区域存在，将毛细抽吸与液体回流两个过程分离开来（见图 16-2）。对于 LHP，液体经过光滑内壁管线回流，流动压降显著降低，因而可采用能提供很高毛细压力的微米级孔径毛细芯来克服重力的影响，同时不会产生增加液体回流阻力的负面影响 \(^{[1]}\) 。
Switch Alpha 12 的外观如图 16-3 所示，其结构设计参数如下：
1）长度 292.1mm；