硅谷网10月10日据《电脑知识与技术》杂志刊文，本文阐述了军用电子设备的发展趋势，明确了热管理技术的重要性。在热管理技术实施过程中，我们将采用软件仿真的手段对热设计方案进行计算，通过计算结果来判断热设计方案的可行性。文中采用IcePak软件对典型风冷机箱进行仿真，详细介绍了仿真分析的全过程，说明了数值仿真可以为电子设备的热设计提供依据，希望对热设计师起到指导作用。
0、引言
随着科技的不断进步，电子设备特别是军用电子系统领域正向集成化、小型化发展，系统的集成度空前提高。电路设计普遍采用大规模集成电路，独立器件、模块的功能日趋复杂，输出功率不断加大。目前，某些大功率元件，其热流密度常常达到了50W/cm2以上，有时候甚至达到了200W/cm2。在功率器件的功耗不断增加、效率却提升不大的情况下，使得大量电能转换为热能，从而导致了高热流密度和热量聚集效应。根据统计数据可知，电子产品故障发生的原因有55%以上是由于热设计不理想所导致的。[1]以美国F/A-18飞机为例，由于该产品在设计开始就开展了可靠性工作，因而取得了良好的效果。其中关键的一项措施就是改进了电子设备的冷却系统。因此，设备内的温升必须予以控制，从而隔离复杂恶劣的环境的影响，营造电子设备舒适工作的“微环境”，确保电子设备达到设计要求的功能、性能、可靠性和使用寿命。
由经验可知，在高温或低温条件下器件或电路容易发生故障，特别是半导体器件和微电路，其故障率随温度的增加而指数地上升。因此，热设计的重点不仅要考虑器件的选择和电路设计，还要通过结构设计来减少温度变化对产品性能的影响，使产品满足特定环境的工作需求。[2]传统设计方法是，先通过经验公式进行手工计算，然后对关键参数进行校验，最后以实物测试的形式来验证热设计的可行性，这样做不仅设计周期长，而且设计准确性低，造成时间和金钱的极大浪费。现在，随着数值传热学以及计算机技术的迅猛发展，数值求解方法成为了当前热分析的主流模式。该方法可对复杂的情况进行快速、高效的求解，并能呈现直观的温度分布。从而缩短研制周期，降低开发成本。
本文将以IcePak专业软件为例详细地介绍风冷机箱热设计仿真的全过程。
1、IcePak简介
IcePak是一款强大的CAE（ComputerAidedEngineering）仿真软件，它能够对电子产品的传热、流动进行模拟，从而提高产品仿真的质量。IcePak可以实现从元器件级、PCB板和模块级、系统整机级的热分析。它能够帮助工程师完成用实验不可能实现的情况，能够监控到无法测量的位置的数据。
IcePak软件的主要特点如下：
（1）快速建模：Icepack软件集成了箱体、块、风扇、PCB板、管道、阻尼、散热器、离心风机、各种封装件模型，无须从点、线、面开始建模；并可以通过网络即时更新材料库、风扇库、封装库；强大的zoom-in功能可以自动将上一级模型的计算结果传递到下一级模型，从系统级到板级，从板级到元件级，层层细化，大大提高我们的工作效率。
（2）丰富的物理模型：可以模拟强迫对流、自然对流和混合对流模型；热传导、流体与固体耦合传热、物体表面间的热辐射模型；层流、湍流、稳态及瞬态模型；多种流体介质模型等。
（3）参数化设计：模型的任何数据都可以设置成变量，对变量的参数化控制可以完成不同工况、不同结构、不同状态的计算，并自动生成函数曲线，从而使模拟过程更加高效、智能和便捷。
（4）优化设计：优化模块可以对变量自动优化，使热设计方案达到最优，其算法的鲁棒性使得优化设计过程更简单直观，容错性更强，结果精度更高，计算速度更快。
（5）先进的网格技术：具有自动化的非结构化网格生成能力，支持四面体、六面体以及混合网格，可以生成高质量的计算网格，并能完全保持几何边界形状。
（6）强大的解算功能：采用全球最强大的CFD求解器—Fluent，应用有限体积法、结构化与非结构化网格的求解器实现任何操作系统下的网格并行计算。
（7）强大的可视化后置处理：具有面对对象的、完全集成的后置处理环境，可以输出速度矢量图、等值面图、云图、迹线图等，以及Avi、Mpeg、Gif格式的动画。
2、典型风冷机箱
在电子设备热设计中，我们通常采用的是经济可靠的强迫风冷技术，它广泛地应用于航空、地面和舰载设备当中。利用强迫风冷技术，降低电子设备中发热元器件和部件的工作温度，使电子设备整机内部温升降低到所要求的范围，以保证电气性能的稳定、降低元器件的失效率，从而延长电子设备的使用寿命。[3]
本文以某典型风冷机箱为例来诠释仿真分析中的“几何建模→网格划分→求解计算→后处理”全过程。该机箱尺寸为360mm×230mm×100mm（L×W×H，详细结构见图1）。
图1 机箱三维模型
机箱底板、左右侧板、前后面板和盖板均采用铝合金，其导热系数为120W/m•K。在机箱内安装有三个相同的印制板，印制板上布置了不等数量的发热器件，其热功耗分别为5W和2W，共用散热器散热；另有一个热耗为30W的电源模块背负一个散热器单独散热。该机箱工作环境为常压下温度恒定25℃，机箱前面板开通风网孔，后面板安装两个风机对机箱进行强迫风冷。风机风量为1.93e-002m3/s，压头为120N/m2。
3、IcePak仿真过程
3.1创建工况
在建模前需对仿真环境进行设置，其主要参数有物理模型、环境温度、流体介质、金属材质等。本例为强迫风冷，需计算温度和流体，环境温度25℃，默认气体为空气，默认金属为铝合金，其设置如图2所示：
图2 基本参数设置
3.2几何建模
根据机箱的三维模型在IcePak中建立仿真（CFD）模型，见图3。IcePak虽然可以导入第三方软件的模型，但往往要对导入的数据进行大量的处理，才能保证网格划分的质量。因此建议设计师在IcePak中直接建模，并在建模过程中对模型进行适当的简化，既保证了模型的正确性，也方便后续对模型进行修改，缩短了仿真分析的准备时间。
图3 仿真模型
本机箱模型在一个全封闭的求解域（Cabinet）中，因此在机箱前面板上创建一个开口（Opening），后面板上创建两个风扇（Fan）与外界进行热交换。
3.3网格划分
通过软件中的Model/GenerateMesh功能打开MeshControl面板对模型进行网格划分，见图4。
图4 MeshControl面板
Generate面板中会计算出初始的最大网格单元尺寸，根据仿真的需要可以手动设定。在此例中，将X方向的最大单元尺寸设为20mm，Y方向的最大单元尺寸设为15mm，Z方向的最大单元尺寸设为15mm。然后点击Generatemesh进行网格划分，得到如下网格信息：
图5 网格信息
图6 网格质量检查图表
必须通过Quality功能对网格质量进行检查，因为网格质量是CFD模型的最关键的一个方面，网格质量好是精确计算的先决条件。网格质量的合理范围是skewness>0.15。由图6可知，网格质量skewness的范围为0.27~1>0.15，说明该网格的质量满足仿真分析的需要，可以进行计算。
3.4检查气流
在求解之前，应该先估算Reynolds和Peclet数来确定仿真采用哪种流动方程。由Solutionsettings选项打开Basicsettings窗口，点击Reset按钮可以在检查信息窗口得到Reynolds和Peclet数分别是25818.3和18292.4。其中雷诺数Reynolds>4000，流动状态为紊流，所以仿真采用Turbulent流动方程。返回基本参数设置窗口将Flowregime设定为Turbulent。
图7 检查气流窗口
3.5求解计算
接下来执行Solve/Runsolution命令，得到如下残差收敛曲线图：
图7 残差收敛曲线图及温度监测窗口
图8 温度监测窗口
残差收敛窗口是完全交互式的，可以在计算的任何时候放大图表中相应的区域来查看计算状态，并能适时地改变显示轴，要使图表返回原始状态只需点击Fullrange按钮。
温度监测窗口显示的是事先设定的温度监测点的温度变化曲线。通过该曲线我们首先可以判断温度的绝对值是否正常，其次温度的变化趋势是否符合实际情况，从而判断热设计模型是否正确。
由图7和图8可以看出，残差收敛曲线趋势正常，温度由低到高再趋于稳定，其绝对值在50℃左右，基本符合实际情况，计算结果是可信的。
3.6后处理
点击后处理按钮打开目标面（Objectface）窗口，可以查看热源的温度分布云图和空气流场图，见图9和图10。
图9 温度云图
图10 空气流场图
由温度云图可知AD芯片的最高温度是53.3℃，但这个温度远远小于AD芯片允许的最高工作壳温；电源模块的温度只有32℃左右，能够满足使用要求。通过Fanoperatingpoint功能检查风机的工作点，其风量为1.574e-002m3/s，压头为22.3N/m2，没有超过相应的设定值。因此，该热设计方案满足使用需求。
4、结论
本文通过对典型风冷机箱的散热仿真，验证了该热设计方案的可行性。由此说明了IcePak软件在热设计过程中的重要性，它不仅可以有针对地解决工程师所面对的问题，而且能方便地将计算流体力学和数值传热学结合起来提供器件热传导、对流和辐射问题的解算，并为热设计方案的优化提供支撑。这种方法与实验测试相比，能够缩短设计周期，提高设计的精确性，从而增强了产品竞争力。
作者简介：姓名：刘兵，1977年4月16，男，汉族，四川成都人，专业学位：硕士，职称：工程师，工作单位：中国电子科技集团公司第二十九研究所，研究方向：结构设计。
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