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　　在使用Fluent軟件進行電子器件散熱仿真分析的過程中，我們不可避免的要對實際的各種零部件進行簡化和處理。不管是幾何層面、網格層面還是求解器設定層面，不同的部件都有相應的處理方法。下面就針對散熱仿真中的一些專用的設備（如風扇、格柵、擋板等）進行描述。

　　值得一提的是，如果條件允許，仍舊強烈推薦通用的電子散熱問題使用 Icepak 軟件進行仿真計算，因為其在各個方面的工作效率都遠高于Fluent（比如常用散熱設備的處理，Icepak 已經具備了基于對象的求解方法）。

　　散熱翅片

　　散熱翅片又稱翅片式散熱器，是氣體或液體熱交換器中使用*為廣泛的一種換熱設備，同時也是 Fluent仿真中電子散熱問題*為常見的設備。

　　圖1 散熱翅片是*為常見的散熱設備之一

　　對于散熱翅片，通常不需要做額外的處理，也不建議做模型的簡化。

　　如下圖所示，由于翅片本身在法向上尺寸較小，其他兩個方向尺度又大，所以部分工程師很容易聯想到通過無厚度壁面的方式，對翅片進行簡化，從而降低網格數量。但是散熱翅片本身直接與發熱體相連，溫度梯度大，對整個流場的溫度分布影響也較大，所以通常情況下，這是不允許的。

　　圖2 散熱翅片的兩種處理方式

　　圖3 散熱翅片的兩種處理方式（網格情況）

　　圖4 散熱翅片的兩種處理方式（求解結果）

　　通過測試算例可知，采用直接實體建模的工況與Shell殼導熱工況存在巨大的數據結果差別。翅片無厚度簡化過工況的散熱效果，要遠遠強于實體建模的情況（差別在4-5K左右）。

　　薄壁導流板

　　薄壁導流板簡稱擋板，其主要作用是場導向，**目標是將散熱區域的流體流動*高效的應用起來，以達到調整流動方向、降低渦流（回流）和壓降、增強高溫區域流動的目的。

　　圖5 仿真中的格柵與擋板

　　擋板的本質仍舊是三維實體，并且和散熱翅片類似，厚度遠小于其他兩個方向的尺度。因此，如果對該類薄壁幾何劃分三維網格將會極大的增加網格數量，在工程實踐中難度較大、效率較低。與散熱翅片不同的是，大部分的擋板本身并不用于導熱，也不與發熱體直接接觸，因此建議做無厚度幾何處理。

　　處理后的幾何從三維實體變成了二維的 Baffle 面， Fluent 求解器是可以支持這種無厚度壁面類型的。Baffle 面通常用一種內部邊界 Wall 來表示，這類邊界雖然兩側都在同一個流體區域之中，但仍舊存在 Wall 和 Wall-Shadow，對于 ANSYS 18.0之后的版本，用戶可以輕易的從 GUI 中判斷對應的位置關系。因此，當擋板由層狀的多種復合材料組成時，也可以有效的通過各自的法線方向，準確的使用Shell多層殼導熱功能。

　　圖6 當同時顯示 Wall 和 Wall-Shadow 時可以通過顏色準確判斷其位置關系

　　風扇

　　在包含風扇的散熱問題仿真中，通常可以根據不同的需求進行多種選擇。如果按照詳細的計算方式進行仿真，Fluent 也可以提供多種方法：常用的有穩態的 MRF （多參考坐標系）方法、瞬態的 SMM （滑移網格）方法和瞬態的 Overset （嵌套網格）方法，通過詳細的建模和仿真描述，既可以**的計算各種風扇形狀帶來的影響，也可以準確的考慮風扇的不同轉速與散熱效率之間的關系。

　　圖7 考慮完整幾何的風扇模型

　　圖8 使用面簡化過的風扇邊界

　　當然，Fluent 也可以將風扇簡化，用一個面（Boundary）來代替。這樣一來，所有的風扇屬性都會集中在該面上：如流量（速度）與增壓之間的關系、流速與旋轉角度等。使用簡化的風扇模型可以極大的減少網格量和計算量，但也會帶來相應的精度損失。

　　格柵

　　和風扇類似，格柵也可以根據不同的需求進行多種選擇。如果按照詳細的計算方式進行仿真，那就必須要按照實際的幾何尺寸構建格柵，并得到對應的流體和固體區域。這樣做的方法會極大的增加網格數量，但是精度可以保證；與此同時，流體區域的選取就不能以格柵的位置作為出口邊界，需要額外計算區域的延伸才行。

　　圖9 任何電子設備的外殼上都必須使用格柵

　　當然，格柵也可以通過多孔介質的方式進行簡化，并輸入相應的孔隙率、滲透系數、損失系數等。和風扇類似，使用簡化的格柵模型可以極大的減少網格數量和計算時間，但也會帶來相應的精度損失。需要注意的是，如果將出口格柵的情況等效處理成一個完整的出口面，則不需要額外延伸流體計算區域，即出口選在格柵位置就可以。

　　硅膠

　　這一類設備從 Fluent 仿真的角度來看，與擋板很類似，都是厚度極小的三維實體，因此必須簡化成二維薄殼。不同的是，硅膠通常都摻雜在固體與固體之間，因此可以采用薄壁方式（Thin Wall）或者殼單元（Shell Conduction）的方法進行簡化。

　　需要注意的是，當硅膠兩側的兩個面簡化成二維薄殼之后，要尤其注意未填充硅膠的部分，不能采用默認的方法或放任不管，否則這些區域將出現零熱阻的情況（此時該區域的導熱性能就要優于填充硅膠的區域），這是不合理的；這部分區域建議按照接觸熱阻的方法處理。

　　圖10 硅膠的厚度通常都非常薄

　　接觸熱阻

　　Fluent 標準界面中沒有直接的接觸熱阻設置 GUI 界面，通常的處理方法是在兩個面之間額外增加材料（并**厚度），從而達到等效的結果。方法可以采用薄壁方式（Thin Wall）或者殼單元（Shell Conduction），整體上與硅膠的簡化方式類似。

　　圖11 無厚度硅膠與空氣熱阻的等效方式

　　圖12 接觸熱阻的等效方法

　　塑料零件

　　在電子設備中還可能出現一類塑料零件，比如風扇卡口、塑料螺釘等。對于這一類塑料零件，建議按照不同于金屬件的另外一種思路處理。

　　對于電子散熱仿真，必須按照流固耦合共軛換熱問題進行分析，因此流體區域和絕大多數的固體區域都建議劃分體網格。但對于塑料零件，則不建議對他們劃分體網格，合理的方法是選擇將他們（簡化后）從流體區域中直接刪除，原因如下：

　　① 塑料件本身不發熱；

　　② 塑料件導熱性能也很差，可以認為是絕熱；

　　③ 塑料件**可能的作用，就是在某些特殊的位置對流場產生影響。

　　所以在確認某些零件是塑料件（或其他導熱性能差的材料）時，可以放心的刪除掉他們，不需要劃分體網格，對應的流體邊界，則可以設置絕熱的壁面條件。

　　圖13 電子散熱問題中的塑料件

　　作者：張楊 仿真秀專欄作者

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